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无线传感器网络中覆盖空洞修复算法研究

作　者: 朱琳
导　师: 郭拯危
学　校: 河南大学
专　业: 应用数学
关键词: 无线传感器网络覆盖空洞空洞修复覆盖质量
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无线传感器网络是构成信息技术的三大支柱之一，同时被预为对未来世界具有重要影响的一项关键技术。无线传感器网络具有广泛的应用前景，主要应用于环境、军事、医疗以及交通管理等领域。在无线传感器网络中，覆盖质量是衡量网络性能的重要指标之一。由于部分传感器节点在传输数据过程中，出现该部分节点过多转发数据而引发其能量消耗过快，或者由于不可知的原因受到攻击、故障造成这部分节点失效，这必然造成网络覆盖区域出现“空洞”。覆盖空洞的存在会加速空洞附近节点的死亡，降低网络的覆盖质量以及连通性，因此采用有效的方法修复覆盖空洞或者对网络进行重部署，可以提高网络剩余资源的有效利用以及延长网络寿命。针对这一问题，本文首先对国内外有关无线传感器网络覆盖空洞修复算法进行了分类阐述，并且给出了相关分析。随后提出了两种适用于不同网络模型下的覆盖空洞修复算法，这两种空洞修复算法都在不改变已知网络覆盖结构的基础上实现对覆盖空洞修复。本文的主要研究内容包括以下三个方面：1.对有关无线传感器网络覆盖空洞修复算法进行了分类阐述。本文针对无线传感器网络中存在的覆盖空洞问题，大致概括为两种解决策略：（1）激活网络中存在的休眠节点；（2）在空洞区域部署新的静态节点或者移动节点。本文分别对与这两种空洞解决策略相关的修复算法进行了分析论述，给出了这两种空洞解决策略适用的应用环境以及优缺点。2.提出了一种距离辅助的覆盖空洞修复算法。该算法适用于节点分布密集或者满足多重覆盖的静态传感器网络中，处于覆盖空洞边缘上的空洞边缘节点在其通信范围内激活与其位置信息最优的冗余节点替换失效节点，从而在不改变已知覆盖结构的条件下，修复覆盖空洞。由于节点随机部署在监控区域内，当网络失效时往往仍有大量的冗余节点没有得到充分利用。该算法主要是通过利用网络中剩余的节点资源实现修复空洞的目的。仿真结果表明，对于同一形状大小的覆盖空洞，与其他算法相比，该算法可以在保证网络覆盖率的同时，激活的冗余节点数目较少，同时具有良好的节点平均利用率。3.提出了一种基于移动节点的覆盖空洞修复算法。该算法适用于混合无线传感器网络，利用移动节点的移动优势能够更好的解决空洞问题。当探测出网络监控区域内出现覆盖空洞时，通过算法计算出放置移动节点的虚拟移动点。依据填补过程和最小总移动距离方法指导移动节点到虚拟移动点，从而增加监控区域的覆盖面积，缩小覆盖空洞。仿真结果表明，在相同网络结构下，与其他算法相比较，该算法在满足网络覆盖率的同时，在填补节点数目、空洞覆盖率、节点总体移动距离方面都有着明显的优势。本文通过填补节点的总移动距离来衡量节点在移动过程中总能量的耗损，该算法可以有效地降低用于节点移动的总能量，延长网络的生存时间。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-16
  1.1 课题的背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
  1.3 本文主要研究内容  14
  1.4 章节安排  14-15
  1.5 本章小结  15-16
2 理论基础  16-26
  2.1 传感器节点感知模型  16-17
    2.1.1 二元感知模型  16-17
    2.1.2 概率感知模型  17
  2.2 节点部署方式  17-19
    2.2.1 确定性部署  17-18
    2.2.2 随机性部署  18-19
  2.3 覆盖空洞修复算法  19-24
    2.3.1 性能衡量指标  19-20
    2.3.2 相关术语  20-22
    2.3.3 空洞探测算法  22-23
    2.3.4 覆盖空洞修复算法分析  23-24
  2.4 本章小结  24-26
3 距离辅助的覆盖空洞修复算法  26-34
  3.1 概述  26
  3.2 网络模型  26
  3.3 问题描述  26-27
  3.4 算法描述  27-29
  3.5 仿真和性能分析  29-32
    3.5.1 仿真实验设置  30
    3.5.2 与不同算法的对比  30-32
  3.6 本章小结  32-34
4 基于移动节点的覆盖空洞修复算法  34-48
  4.1 概述  34
  4.2 网络模型  34
  4.3 问题描述  34-36
  4.4 算法描述  36-39
  4.5 最小总移动距离方法  39-41
  4.6 仿真和性能分析  41-47
    4.6.1 仿真实验设置  41
    4.6.2 算法的可行性  41-42
    4.6.3 与不同算法的对比  42-47
  4.7 本章小结  47-48
5 总结与展望  48-50
  5.1 总结  48
  5.2 展望  48-50
参考文献  50-54
致谢  54-55
攻读学位期间发表的学术论文  55-56

无线传感器网络中覆盖空洞修复算法研究

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