有向传感器网络中栅栏覆盖优化理论及算法研究

Coverage is a fundamental and commonly adopted metric to evaluate the quality of service (surveillance) that can be provided by a particular sensor network.In majority study of coverage control solutions using wireless sensor networks, sensors are assumed to have an isotropic (omni-directional) sensing model, in which the sensing range of a sensor is often abstracted as a disk and an object is said to be covered or detected by a sensor if it is within the sensing range of the sensor. However, in many practical applications, sensors often have a directional sensing model, such as image or video sensors, audio sensors, infrared sensors, ultrasonic sensors. By taking saving network energy resource, prolonging network lifetime, and improving network coverage performace, our research group carries on the research on barrier coverage optimization theories and algorithms in the context of directional sensor networks, where a directional sensor has a finite angle of view and thus cannot sense the whole circular region, in order to effectively monitor moving targets in a given area. The main works of our research are as follows: analyzing and evaluating the relationship between the probability of forming barrier coverage and the lower bound of the number of directional sensors which are randomly deployed, exploring distributed and heuristic barrier coverage detetion schemes, and investigating energy-efficient barrier coverage constructing solutions. Finally, we verify the effectiveness of our proposed solutions by means of theoretical analysis and results of simulation experiment. Our research is innovative and practical, its research results can be directly applied to the monitoring systems which are based on directional sensor networks, will push forward the development in the related domain. Its wide applications will bring great economic and social benefit.

覆盖作为无线传感器网络中的一个基本问题，反映了无线传感器网络对监测区域所能提供的"感知"服务质量。现有的无线传感器网络中覆盖控制方法的研究大都是基于全向感知模型展开的，这种感知模型假设存在着理想化和局限性，不能很好地实现对图像/视频、音频、红外、超声波等传感器节点的方向性感知能力进行有效刻画。为此，本课题以节约网络能量资源、延长网络工作寿命、提高网络覆盖性能为优化目标，开展有效支持移动目标监测的有向传感器网络栅栏覆盖优化理论与算法研究，包括栅栏覆盖形成条件的分析与评估、分布启发式的栅栏覆盖静态检测以及能量高效的栅栏覆盖动态构建等关键技术，并通过理论分析和仿真实验的手段评价和验证所设计理论与算法的有效性。本课题研究工作具有很好的创新性和实用性，其研究成果可直接用于基于有向传感器网络的监控应用中，将推动相关学科的发展，其应用具有重大的经济效益和社会效益。

现有的无线传感器网络中覆盖控制方法的研究大都是基于全向感知模型展开的，这种感知模型假设存在着理想化和局限性，不能很好地实现对图像/视频、音频、红外、超声波等传感器节点的方向性感知能力进行有效刻画。有向传感器网络覆盖控制是一个全新的研究领域。作为一种监测应用密切相关技术，有向传感器网络中覆盖控制已不仅仅是单纯的覆盖含义，更与能量节约、目标探知、路径规划等具体应用紧密相关联。..由此，本项目以节约网络能量资源、提高网络覆盖性能为优化目标，开展有效支持移动目标监测的有向传感器网络栅栏覆盖优化及其相关理论与算法研究。在传感器网络，特别是有向传感器网络中区域覆盖控制、栅栏覆盖控制、移动协助数据采集、数据可靠传输等方面积累了一系列国际先进国内领先的科研成果。其一、基于群智智能思想提出分布式网络区域覆盖控制算法，通过模拟鱼群的群行为实现有向传感器节点传感方向的优化布局，对指导大规模无线传感节点的初始化布局具有较好的理论价值。其二、提出集中式和分布式栅栏覆盖判定算法，基于图论快速判定已知网络部署情况下是否能够成栅栏覆盖，并设计满足不同目标函数的策略以找到构成栅栏覆盖的有向传感节点布局。其三、研究栅栏覆盖空洞修补，通过对栅栏覆盖空洞的准确定位，计算出修补栅栏覆盖空洞所需要额外增补的最小数目传感器节点。其四、提出能量有效的移动Sink数据采集方法，用整数线性规划方法表述待解决问题，根据网络参数对单/多Sink移动轨迹进行规划。其五、设计基于Zigbee协议的无线图像传感器节点的系统方案，完成图像采集和处理，并提出基于Zigbee应用层的高效型重传与返回确认机制，提高图像数据传输的可靠性。本项目研究成果可直接用于大规模无线多媒体传感器网络、物联网的数据采集、传输应用中，将推动相关学科的发展，其应用具有重大的经济效益和社会效益。..在本项目为期三年的资助下，申请人以发表的论文作为创新成果的载体，发表国内外重要领域SCI收录期刊论文4篇（A3：1篇，A4：3篇）、A5类论文1篇、B类论文1篇、D类论文2篇；申请并授权发明专利1项、软件著作权1项；培养硕士研究生2名（成果形式：硕士毕业论文）。在国际交流方面，积极参加领域知名国际学术会议（如：MASS2013、IIH-MSP2014），宣讲论文并与同行交流学术问题。完成项目预期任务。