无线传感器网络k覆盖问题的研究

Being a major benchmark when applying wireless sensor networks (WSNs) into real applications, QoS of coverage of WSNs should be guaranteed by the designers for both the economic and applicable benefits. After taking a variety of characteristics of wireless nodes and structures of wireless networks into consider, this study aims at launching the following topics so as to overcome the bottleneck of network coverage: 1) network model of sensing range based on transmission range; 2) node deployment based on k-coverage path; 3) characteristics of kth-Nearest Point Voronoi Diagram. This project is to launch a systematic and deep study for simple and optimal k-coverage problems in wireless ad hoc sensor network networks in terms of fundamental theories, technology and methods, theoretical analysis and experimental verification. The objective is to design and implement centralized and distributed algorithms in polynomial time, for optimum k-support path problem and optimum k-breach path problem, based on our proposed properties for kth-NP Voronoi diagram. This study brings forth new approaches for traditional simple network coverage theories, and offers the theoretical and technological support for multiple real applications in wireless sensor networks.

本研究针对无线传感器网络发展遇到的大规模网络覆盖问题，综合考虑网络节点的多样性和网络部署的复杂性，基于传统的网络覆盖理论和已部署的无线传感器网络，从简单k覆盖问题的固有复杂性及优化k覆盖问题在实际应用中的全新要求出发，开展了无线传感器网络最优和最差覆盖问题的研究。本项目拟从基础理论、技术方法、理论分析和实验验证四个方面对无线传感器网络的简单和优化k覆盖问题展开系统、深入的研究；提出基于能量、地图及可观察性的节点非规则感知范围建立模型；利用Order-k Voronoi Diagram的已知性质，推算并证明kth-Nearest Point Voronoi Diagram的相关属性；建立集中式和分布式的优化k覆盖路径规划算法。本项目将为传统的无线传感器网络的简单覆盖问题理论研究提供新途径，为无线传感器网络的多种应用需求提供理论基础与技术支撑，具有显著的理论意义和应用价值。

本课题针对无线传感器网络k覆盖问题，开展了物理环境自适应的非规则节点覆盖范围建模问题、基于地图的路径k覆盖节点部署问题、基于最优k覆盖的路径规划问题、基于最差k覆盖的路径规划问题的研究。提出了物理环境自适应的非规则节点k覆盖数学模型，针对该模型，给出了最优k覆盖（最差k覆盖）的路径规划问题求解方法，获得了基于地图的路径k覆盖节点部署问题使覆盖节点的生命周期最长的相关算法，得到了具有某些特定属性节点k覆盖问题的一些重要特性，设计出了最优K覆盖原型系统的无线传感器网络通信节点模块，解决了面向最优k覆盖的传感器网络在虚假数据过滤、基于GPS定位等相关应用研究中的一些问题。本课题已在上述研究问题上均已取得了理论突破，圆满完成了本课题所设定的研究目标，这些研究结论与方法为传统的无线传感器网络的简单覆盖问题理论研究提供了新途径，为无线传感器网络的多种应用需求提供了理论基础与技术支撑，具有显著的理论意义和应用价值。课题组已将上述研究成果在国内外重要学术期刊和国际会议上发表，并将有关成果申请了国家专利或软件著作权。截止到2017年12月，共发表国内/外期刊和国际会议论文15篇，其中SCI检索期刊论文4篇，EI检索论文5篇；申请国家发明专利或实用新型专利3项，软件著作权5项；出版学术专著1部；获省部级科技进步一等奖1项（排名第5）。