物联网可靠感知节点部署优化理论与方法研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:xqjulia
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物联网所提供的各种应用和服务都需要以对物理世界感知获取的数据作为对象来源。由于节点传感器性能、部署成本以及物理环境等各种因素难以实现可靠感知,而节点部署优化可以提高监测区域的感知可靠度。当前对于部署问题研究大部分假设理想感知模型或静态场景研究。而事实上由于物联网应用场景类型众多且复杂,一些理想化的假设限制的这些方法的实际应用。而针对动态事件的优化部署以及部署后的维护机制研究可以扩展物联网的应用范围,并成为近年来物联网感知部署研究的热点。本文针对随机事件以及动态目标的优化部署为目标,系统地研究了感知节点部署优化以及维护机制中的一些重要问题。主体内容分为两个部分:可靠感知节点部署策略和节点部署维护机制。前者主要研究非均匀事件区域部署和动态目标栅栏部署;感知节点部署后维护机制主要研究区域部署中感知覆盖洞的识别与修复,这两部分内容递进相互联系。本文主要研究内容及创新点如下:1.面向可靠感知的优先级事件稀疏部署优化。传统的感知节点部署研究大多集中在区域覆盖面积最大化的研究,缺少对部署区域的感知质量的考虑。本文提出针对大区域界定稀疏部署情况下,以可靠感知为优化目标,针对随机事件区域的优先级分布,数学证明了达到感知可靠度最大化的条件,然后设计了分布式算法实现重定位传感器节点位置,优化节点部署,实现了对事件区域的可靠感知。2.动态事件区域的栅栏部署优化算法。栅栏部署是针对目标区域边界进行感知监测的一类部署问题,传统的栅栏覆盖部署研究大多针对静态目标边界。而实际应用中,许多目标边界以及整体是动态变化和移动的,感知节点需要快速部署到目标边界周围并能快速跟踪变化。本文针对动态目标研究栅栏部署优化,结合群智能鱼群算法思想提出一种移动栅栏部署优化算法,其能快速寻找到目标边界形成封闭的栅栏带并响应目标区域的移动和变化,实验证明本算法时延更小,节点总体移动距离更短。3.物联网可靠感知空洞识别方法。感知节点部署的随机性以及节点能耗殆尽、损坏退出等,使得网络中存在有覆盖洞,这些空洞将会影响物联网监测性能,如何识别感知空洞是优化网络部署中的先决条件。当前大多感知覆盖空洞识别方法都是基于节点精确位置已知条件下的研究,这在实际应用中局限性较大,提出一种分布式覆盖洞识别方法,其基于邻居拓扑关系可以快速识别网络拓扑结构,然后基于三角覆盖理论以及哈密顿图判别方法识别区域中感知空洞,最后仿真分析比较了算法性能,分布式算法能够快速有效识别感知区域覆盖洞。4.混杂节点部署下的感知空洞修补方法。基于前面对于感知覆盖空洞的识别,如何进行感知空洞修复愈合是部署理论维护机制中另一个重要问题。利用移动节点来修补覆盖空洞是当前认为较为可行的方法。假定监测区域在静态节点移动节点混合,节点感知半径异构下,研究如何通过移动节点重定位修复感知覆盖洞,同时兼顾移动距离或能耗最小以及修复后的感知覆盖率最大化,优化感知覆盖性能。针对移动节点覆盖洞修补规划的NP-hard问题,提出结合遗传算法来求解最优解。仿真实验表明本算法相比于同类算法能够有效修补漏洞并兼顾节点能耗以及感知覆盖率。最后进行了全文总结,并讨论了下一步工作。
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