长带形区域无线传感器网络覆盖与区域定位研究

In this proposal, we study the problems about how to deploy and move wireless sensor nodes to provide complete coverage and subarea localization in a given long belt scenario. A long and narrow belt scenario is not uncommon in practice, such as carbins of a large ship, tunnels and underground mines around the world. In our research, based on the existing node deployment patterns, we define a novel strip-based node deployment pattern, and intend to propose the optimal deployment of nodes in a long belt scenario according to the geometrical characteristics of the belt to provide complete network coverage and efficient subarea localization. Moreover, based on the deploying locations and the optimal target locations, we intend to propose efficient node movement algorithms, which can minimize the total power consumption over all mobile nodes or minimize the maximal power consumption among all mobile nodes. The research results in this proposal will provide a primeval theoretical supporting and technical exploring for wireless sensor network implementing in large ship applications and tunnel/mine environmental monitoring.

本项目研究长带形区域中无线传感器网络覆盖与区域定位问题。长带形区域指比较长、比较窄的一种特殊区域，如大型舰船内部舱室、隧道、矿井等。如何合理的在长带形区域内部署传感器节点实现网络覆盖与定位，如何合理调度长带区域中的可移动节点是本项目中最为核心的难点问题。本项目旨在已有的节点部署技术的基础上，根据单个无线节点的覆盖范围和相邻节点之间的位置关系，定义一种新的适用于长带形区域的节点部署模式，依据不同的长带形区域的几何特征，提出节点串之间最优的拓扑关系，重点解决长带形区域网络全覆盖与区域定位问题，并根据可移动节点的投放位置以及其目标位置，提出有效的节点移动算法，重点解决节点移动过程中的能量消耗控制问题。本项目的研究可为大型舰船内部舱室无线传感器网络覆盖及隧道、矿井环境监控等应用提供前期理论支持和部分实现技术探索。

本项目主要研究长带形区域中无线传感器网络覆盖与区域定位问题。.本研究首先提出了一种新的“分而盖之”节点部署模式。首先一个长带状区域会被沿着其长边平行的方向分为若干个子区域。然后在区域内部署若干串节点。通过调整节点串中相邻节点的距离以及串之间的距离，选取适当的节点串数，可以保证使用的节点数量最少并且实现长带区域的全覆盖。移动无线设备可以被定位在覆盖该设备的几个节点的信号交叠范围之内。由于目标是被定位在一个区域范围内，定位一定会存在误差。本研究则定义了该定位误差，并给出了一组函数，能精确的描述整个带状区域的定位误差的均值。在满足一种特定的“分而盖之”节点部署模式下，整个区域的平均定位误差可以得到最小化，这也达到了提高覆盖精度的目的。.本研究提出一种长带区域最优覆盖部署模式，给定一个长封闭带状区域，在不同的宽度下最优的串节点距离、串间距离以及串偏移距离都可以确定。理论证明及分析证明了该方法的最优性。.本研究提出了一种基于数学形态学的天线部署算法。首先将整个室内区域分解成两种类型的子区域，分别称之为走廊区域和子主区域。对于子主区域，采用形态学膨胀和腐蚀算法，分成不同的亚子主区域，使得其与走廊区域有相同的形态学特征。随后针对这些区域提取形态学骨架，寻求骨架枝的起始点，并将天线以一定的距离间隔部署在骨架枝上。最后，将障碍物情形考虑进来，并优化部署。仿真实验表明，与现有的现场勘测、覆盖预测和遗传算法相比，提出的方案所需的平均天线数目最少。.本研究提出了两种修补栅栏覆盖空隙的节点移动算法：最小开销算法及基于贪婪选择的分布式算法。理论分析及实验结果表明，提出的节点移动方法，可以全局优化节点移动能量开销，抑或是一种高效的自适应算法。.本项目的研究可为大型舰船内部舱室无线传感器网络覆盖及隧道、矿井环境监控等应用提供前期理论支持和部分实现技术探索。