基于移动节点的无线传感器网络覆盖漏洞修复算法研究

发布时间：2020-04-30 09:32

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量微型、低成本无线传感器节点所构成的一种自组织网络。当前WSN被大量应用于军事、工农业以及基础设施等不同领域,并且可以部署在人员难以到达的危险区域,完成人类无法完成的工作。然而,当自身因素或外界环境的影响导致节点失效时,网络监测区域会出现覆盖漏洞,无法实现全面监测。为解决此问题,本文开展无线传感器网络内覆盖漏洞修复算法的研究,在不增加外部节点的条件下,通过局部最优的节点的位置微调实现对网络漏洞的修复。本文研究内容主要包括以下三个方面:(1)针对覆盖漏洞位置未知的情况,本文提出了一种基于网络连接图的覆盖漏洞检测方法。通过连接每个传感器节点得到网络连接图,利用目标节点与网络连接图的位置关系判断该节点是否为漏洞边缘节点,在得到所有漏洞边缘节点后,即可计算得出覆盖漏洞的位置。(2)提出了一种基于移动节点的覆盖漏洞修复算法,考虑到节点能耗因素,该算法采用分布式方案以获得局部最优解。当确认覆盖漏洞位置时,从漏洞邻居节点中选取最合适的节点作为覆盖漏洞的修复节点。在此过程中,兼顾待选漏洞修复节点的移动距离、冗余度以及剩余能量三方面性能指标,实现候选漏洞修复节点的优化选取。(3)为进一步优化覆盖漏洞修复后的网络覆盖率问题,设计了一种漏洞修复节点移动轨迹规划方法。充分考虑到失效节点自身冗余度等因素,让漏洞修复节点移动至漏洞邻居节点的交点处而不是移动至失效节点的位置。一方面可以提高漏洞修复节点的有效覆盖面积,另一方面也有效减少网络中的覆盖冗余度,实现网络覆盖性能的整体提升。利用MATLAB工具搭建仿真实验环境,设置并选取不同仿真参数,开展一系列仿真实验对提出的网络覆盖漏洞修复算法的有效性进行验证,并与其他相关算法进行对比。实验结果表明:本文提出的基于移动节点的网络覆盖漏洞修复算法在节点总移动距离、平均移动距离、节点剩余能量以及有效修复面积和覆盖率等方面与其他算法相比具有一定优势。本文算法在不增加外部节点的条件下,使用网络中已有节点进行覆盖漏洞的修复,较好地保持了网络稳定和通信效率。
【图文】：

结构图,无线传感器网络,监测区域,通信节点

部署更加灵活，节点也可以设置为具有移动性，并与互联网进行连接。逡逑无线传感器网络的系统中通常包括传感器节点（Ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ）、汇聚节点（Ｓｉｎｋ逡逑ｎｏｄｅ）和管理节点，它的组成结构如图２－１所示１３４］。传感器节点是无线传感器网络逡逑中基本功能单元，，它是一种微型嵌入式设备，传感器主要由处理器单元、数据处逡逑理单元、通信传输单元以及能量管理单元构成，它是具有监测数据特点的采集、逡逑转换设备，并具有数据的管理、处理和传输以及节点控制等功能。汇聚节点相当逡逑于传感器网络内部与外部网络连接的桥梁，可以接受来自外部网络中的任务请求，逡逑也可以把无线传感器网络中监测获取到的信息传输到互联网中。网络管理节点具逡逑有实时管理整个网络系统的功能，终端通过管理节点获取所监测区域内的所有数逡逑据。逡逑Ｊ邋，网络接入方式邋＾逦？逡逑｛逦汇聚节点逡逑＾邋ｋｊ逡逑广邋％监测区域？广、逡逑！ｖ邋／％逦ｙ１逡逑／（逦厂逡逑传感器节点？邋Ａ邋NB／逡逑终端用户管理节点逡逑图２－１无线传感器网络结构图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑许多传感器节点部署在所需监测区域的内部或附近，每个通信节点都可以监逡逑９逡逑

在无线传感器网络的目标感知范围内，如有一片连续的区域没有被任何传感逡逑器节点的感知范围所覆盖，也即该区域内的任何一点都不位于节点的感知覆盖范逡逑围内，则这片未被监测的区域就被称为覆盖漏洞，如图２－２所示，黑色区域未被任逡逑何节点所覆盖，则这片区域就是一个覆盖漏洞［４６］。逡逑ｍｍ逡逑图２－２覆盖漏洞图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｃｏｖｅｒａｇｅ邋ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｐ逡逑对于覆盖漏洞而言，又分为闭合覆盖漏洞和开放覆盖漏洞［４７１。在传感器网络逡逑的目标监测范围内，如果存在一片区域没有被任何传感器节点的感知范围所覆盖，逡逑但与其相邻的邻居节点处于感知范围内，则该区域相当于被一定数量的传感器节逡逑点包围形成一片封闭的区域，该区域被称为闭合封闭漏洞。若其邻居节点也未被逡逑其他传感器节点感知范围所覆盖，则称此区域为开放覆盖漏洞。闭合覆盖漏洞因逡逑为其周围充满了传感器节点，常发生于网络中心区域，而开放覆盖漏洞则常发生逡逑于网络模型的边缘位置。逡逑无线传感器网络应用于各个产业
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TP212.9

【参考文献】