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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 无线传感器网络掩盖技术谭慧婷 150400241. 掩盖技术理论基础掩盖问题是无线传感器网络配置第一要面对的基本问题,它 反映了一个无线传感器网络某区域被检测和跟踪的状况；现有的争论结果,很多都是致力于解决传感器网络的部署和检测以及覆盖与连接的关系等方面的问题；掩盖问题可以表述成不同的理论模型,甚至在平面几何里就 能找到相应的解决方案； 即使简洁地只从数学上来考虑, 在部署传感器节点的时候,我们必需知道怎样用相同的节点数掩盖尽可能大的区域；为了对网络的掩盖问题先有一个初步的熟悉,这里我们提出 一个几何问题 -艺术馆问题来懂得；假设艺术馆的主人想
2、在场馆内放置监视器来防止盗窃；假定 相机可以有 360 度的视角而且可以极大速度旋转,相机可以监视任何位置,视线不受影响；关于实现这个想法存在两个问题需要答复：第一就是究竟需 要多少台相机；其次,这些相机应当放置在哪些地方才能保证馆内每个点至少被一台相机监视到；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一个简洁的方法就是将多边形分成不重叠的三角形,每个 三角形里面放置一个相机； 通过这个方法, 我们可以得到最正确分 布应当如以下图,放置两个相机相机足以掩盖整个艺术馆；相机1相机2我们可以知道无线传感器网络的掩盖问题在本职上
3、和上面的 几何问题是一样的：需要知道是否某个区域被充分掩盖以及完全 处于监视之下；但我们也必需熟悉到,几何争论的结果为懂得传感器掩盖问 题供应了一个理论背景,但这样的求解方法是无法直接应用到无 线传感器网络；由于：1. 监视器可以看到无穷远的地方只要没有障碍物阻挡,但是 传感器节点存在最大感应范畴；2. 无线传感器网路没有类似监视器之间固定的基础设施,其 拓扑结构可能随时变化；2.掩盖的感知模型在争论节点如何布置之前,需要先知道传感器节点的感知模 型；目前主要是两种；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - a.布尔感知模
4、型布尔感知模型是以一个节点为圆心,以感知距离为半径的圆形区域,只有落在该圆形区域内的点才能被该节点掩盖,这种模型也被称为 0-1 模型；其数学表达式为.= 1,., 0,., . .b.概率感知模型概率感知模型中, 目标被感知的概率不再是常数,而是由目标到节点间距、节点物理特性等诸多因素打算的变量；在节点 i 不存在邻居节点的前提下, 节点 i 对检测区域内目标 j 的感知概率有以下三种定义形式：. .= .-.,.1, ., . .= .-.,.-. ,. 1 .1. .= 1 + ., .,., .0, ., . .其中., .为节点 i 到目标 j 之间的欧式距离, 和 是和传感器物理特
5、性有关的类型参数；从以上的 3 种形式可以看出,任一点的掩盖概率是介于 0 和1 之间的数；假如节点 i 存在 N 个邻居节点,节点 j 落在和相邻节点交叠传感区域内,节点 j 的感知概率便会受到节点 i 与相邻节点共同影响；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 假设节点 i 与相邻节点感知区域的重叠区域为 M,而且每个节点对目标的感知是相互独立的,那么 为3.掩盖算法分类 a节点部署方式分类M 中任意节点 j 的感知概率依据无线传感器网络节点的不同配置方式 即节点否需要知道自身位置信息 ,可以将无线传感器网络的掩盖算
6、法分为确定性掩盖、随机掩盖两大类；1确定性掩盖这是已知节点位置的无线传感器网络要完成目标区域或目标点的掩盖；2随机掩盖随机掩盖考虑在网络中传感器节点随机分布且位置未知的条件下,完成对监测区域的掩盖任务；b掩盖目标分类依据无线传感器网络不同的应用,掩盖需求通常不同； 依据掩盖目标不同,目前掩盖算法可以分为面掩盖、点掩盖及栅栏掩盖；1面掩盖 目标是在大量冗余节点中查找能掩盖同样区域大小并保证网络名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 连通的最小节点集合；2点掩盖掩盖一些离散的目标点, 并使每一个目标点至少能被一个节点覆盖；3
7、栅栏掩盖目标是找出连接动身位置和离开位置的路径,不同模型定义下供应对目标的不同传感质量；使这样的路径能在依据目标穿越网络时所用的不同模型,栅栏掩盖可以分为 最坏与最正确情形掩盖以及暴露掩盖；最坏情形是指考察全部路径中不被传感器节点检测的概率最小 情形；最正确情形是指考察全部路径中被传感器节点检测的概率最大 情形；暴露穿越同时考虑了目标暴露的时间因素和传感器节点对于目 标的感应强度的因素, 反映了运动目标穿越网路区域的时间增加而感 应强度累加值增大的情形；4.经典掩盖算法a.基于网格的掩盖定位传感器配置算法 考虑传感器节点及目标点都采纳网格形式配置,节点采纳布尔覆 盖模型,并使用能量矢量来表示格
8、点的掩盖；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 如右图,各格点都可至少被一个传感器节点掩盖,此时区域到达了完全掩盖,例如格点位置8 的能量矢量为 0,0,1,1,0,0；当网络资源受限无法到达格点完全掩盖时, 需要依据配置代价上限进行相关的 节点布置；基于网格的掩盖定位传感器配置算法设计了一种模拟退火算法 来最小化距离错误；第一假设每个格点都配置有传感器,然后循环执行以下过程, 试图删除一个传感器节点,然后进行配置代价评判,假如评判不通过,就将该节点移到另外一个随机挑选的位置,然后再进行配置代价评判；循环得到优化值同时
9、储存新的配置节点情形；最终,改良算法停止执行的准就； 在到达模拟退火算法的冷却温 度时,优化掩盖识别的网络配置方案也同时到达；b.分布式贪婪的连通传感器掩盖方法 该算法属于连通性掩盖中的连通路径掩盖及确定性面点掩盖类 型；假设已挑选的传感器节点集合为M,挑选与 M 有相交的传感区域名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的节点称为候选节点；集中式算法初始节点随机挑选构成 M 之后,在全部从初始节点集合动身到候选节点的路径中挑选一条可以掩盖更多未掩盖子区域的路径； 将该路径经过的节点加入 M,算法连续执行到网络查询区域可以
10、完全被更新后的 M 掩盖；如下图为该贪婪算法执行的方式；在图 A 中,贪婪算法会挑选路径得到b ,这是由于在全部备选路径中,.3 和.4组成的 路经 .可以掩盖更多 子区域；c.轮换活跃 / 休眠节点的掩盖方法采纳轮换活跃和休眠节点的掩盖协议可以有效延长网络生存时间,该协议属于确定性和节能掩盖协议采纳节点轮换工作机制,每个周期由一个 Self-Scheduling阶段和一个 Working 阶段组成；在第一个阶段, 各节点第一向传感半径内邻居节点广播通告消息,其中包括节点 ID 和位置；节点检查自身传感任务是否可以可由邻居节点完成,可替代的节点返回一条状态通告消息,需要连续工作的节点执行传感任
11、务；之后进入休眠状态,名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 但是这种机制存在一个问题,假如邻居节点同时检查到自身的传感任务可由对方完成, 并同进入休眠状态, 就会显现以下图所示的盲 点；节点 e 和 f 的整个传感区域都可以被相邻的邻居节点代替掩盖,但假如 e 和 f 进入休眠状态,就显现了不能检测的阴影区域, 即盲点；为了防止这种情形的发生, 节点在第一个阶段检查之前执行一个 退避机制；每一个节点在随机产生的时间之后再检查工作；为了进一步防止盲点的显现, 每个节点在进入休眠状态之前仍将 等待肯定的时间来监听邻居节点的
12、状态更新；d.最坏情形掩盖方法最坏情形掩盖属于确定性网络路径/目标掩盖和栅栏掩盖类型,算法考虑如何对穿越网络的目标或其所在路径上的各店进行感应与 追踪,表达了一种网络掩盖性质；这里我们定义最大突破路径, 分别使得路径上的点到四周传感器 的最小距离最大化；明显, 这条路径代表了无线传感器网络最坏不名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 被检测的概率最小；文中分别采纳运算几何中的 最大突破路径的构造和查找；Vornoi 图与 Delaunay 三角形来完成其中, Vornoi 图是由全部 Delaunay三角形边上的垂直平分
13、线形 成的,Delaunay三角形各顶点为网络的传感器节点,并满意子三角形外接圆不包括其他节点,由于Vornoi 图中的线段具有到最近的传感器节点距离最大的性质,因此最大突破路径肯定是由 Vornoi 图中的线段组成；5.掩盖性能评判指标假设无线传感器网络布置在二维平面空间内,由移动、固定两种无线传感器节点构成, 各节点具有相同的测量范畴、测量可信度和通 信半径；固定节点采纳随机布置方式, 通过全球定位系统猎取自身位 置信息,并在网络中发布共享；a.无线传感器网络的掩盖指标名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由于节点
14、布置的固有冗余性, 网络掩盖评判采纳了牢靠度的概念,对肯定区域,假设在 靠度表示为t 时刻处于 n 个节点测量范畴内,该区域综合可待测区域中全部综合牢靠度大于测量牢靠性要求的区域成为有 效测量区域；将有效测量区域面积占待测总面积的比例定义为掩盖指 标 C；b.无线传感器网络的能耗指标 无线信号在传播过程中随着传播距离增加而发生衰减,采纳自由 空间模型运算传播损耗如下：式中, .为路径损耗,D 为传播距离；假设无线传感器网络通信能耗模型为：运行发送器或者接收器的无线花费为. = 50./.,发送放大器容许放大倍率的无线花费为 .= 100./.；二维空间内, 坐标分别为（ . .,. .,.,.
15、 .的无线传感器节点 i,j,通信时信号传播距离运算如下：假设节点 i 向节点 j 发送长度为 kb 的数据包,就节点 i 能耗为：名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 节点 j 接收此数据包传输所消耗的能耗是所消耗的总能量是无线传感器网络的掩盖能效优化可以扩大无线传感器网络的有效测量区域面积, 从而提高网络整体测量性能；节点通信范畴通常远大于其感知范畴, 且储存能量有限, 因此提高能效性成为无线传感器 网络测量的关键； 无线传感器节点的通信能耗与测量和数据处理能耗相比高很多,通信能耗的优化对提高无线传感器网络能效非常重要；6.总结 掩盖问题是无线传感器网络配置第一面临的基本问题,它反映了一个无线传感器网络某区域被检测和跟踪的状态；这篇报告先后对覆盖理论基础,掩盖感知模型,掩盖算法分类,经典掩盖算法,掩盖评 价指标等五个方面对无线传感器网络的掩盖技术进行了较为全面的 阐释,在报告的撰写过程中, 我翻阅了相关书籍并阅读了一些文献和 论文,对无线传感器网络的懂得进一步加深,收成很大；但本文中,我对一些详细问题例如暴露穿越的懂得仍旧有待加深,以后需要连续 学问积存,争取更高更深的懂得；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页