传感网覆盖洞检测和修复方法研究

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随着传感器技术、微电子系统、现代网络和无线通信技术的飞速发展和日益成熟,传感网(Wireless Sensor Network,WSN)逐渐被应用于国防军事、智能建筑、国家安全、环境监测等多个领域。然而,由于网络随机部署,以及网络能耗不均、攻击和故障等使得部分节点过早死亡,导致网络中部分区域形成覆盖洞。覆盖洞的出现,造成网络的覆盖度和连通性下降,严重地影响了网络的性能。因此怎样处理覆盖空洞,使得传感网在出现覆盖空洞后可以恢复正常工作,是目前应当考虑和解决的一个问题。   本文在综合分析已有的传感器网络覆盖洞检测和修复技术的基础上,提出了一个容错的传感网位置无关的分布式覆盖洞检测方法和基于移动节点的传感网覆盖洞修复方法。然后利用MATLAB对算法进行仿真实现。最后采用基于TinyOS的TOSSIM模拟器仿真实验平台进行仿真实现,进一步验证了本文的覆盖洞检测和修复算法的正确性和有效性。   本文主要工作如下:   (1)研究了传感网的特点,综述了传感网中洞的基本概念与原理,在一定的网络模型和覆盖模型下,对现有的覆盖洞检测和修复方法进行具体分析,为此重点介绍了几类典型的检测和修复方法,同时指出了覆盖洞检测和修复方法需要考虑的问题。   (2)提出容错的位置无关的分布式覆盖洞检测方法。该方法依靠节点和它-跳以内邻节点的通信信息,得出网络局部区域内的最大简化图,并利用此拓扑图确定该节点是否位于覆盖洞边缘。然后,基站收集处于覆盖洞边缘的节点信息,从而确定网络中覆盖洞的几何多边形位置和大小。首先从几何理论上证明该检测算法,随后以仿真实验分析了该算法的容错性,并从检测率、正确率、错误率和漏检率等指标,与相关工作进行了对比实验分析   (3)提出了三角形贴片式逐步增加移动节点的修复方法。针对现有修复算法中新增节点利用率低和修复覆盖冗余度高的问题,文章采用移动节点进行修复的思路。该方法利用覆盖洞边缘节点提供的辅助信息,指导移动节点移动到“最佳”位置。首先从几何理论上分析了最佳位置的存在条件,随后证明了在相关位黄部署移动节点可以保证最低覆盖率大于90%,最后以仿真实验分析了该算法的覆盖度、稳定性、冗余度等指标,并从移动节点覆盖能力利用率的角度,与相关工作进行了对比试验分析。   (4)采用基于TinyOS的TOSSIM模拟器仿真实验平台对本文提出的覆盖洞检测和修复算法进行仿真实现,并对实验系统功能模块进行了具体研究和分析。在该实验系统中,包括通信模块、检测模块、修复模块和显示模块,每个模块实现对应功能,最终在TOSSIM中实现了本文提出的覆盖洞检测和修复算法。
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