大规模混合式无线传感器网络的覆盖空洞修复研究

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随着物联网的快速发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为物联网的核心技术,也随之越来越大规模化。覆盖不仅反映了被监测区域的好坏,而且还是衡量WSN服务质量最重要的度量之一。WSN的服务质量和生命周期会随着覆盖空洞的增加而急剧下降,特别是在大规模WSN(Large-Scale WSN,LS-WSN)中,数以千计的传感器节点随机部署于广阔的区域,以及大量感知数据的收集加快了节点的死亡,所以不可避免地会产生更多的覆盖空洞。本学位论文主要研究关于大规模混合式WSN(Large-Scale Hybrid WSN,LS-HWSN)覆盖空洞修复的问题,分别探讨了LS-HWSN的覆盖空洞修复、LS-HWSN的可信信息覆盖空洞(Confident Information Coverage Hole,CICH)修复、以及LS-HWSN的CICH预测和修复问题。为解决这些问题,本论文提出了一些覆盖空洞修复算法。本文的主要研究成果概括如下:(1)对于LS-HWSN的覆盖空洞修复问题,基于贪婪的启发式策略,本论文提出一种集中式贪婪修复算法,该算法通过逐个最大化派遣移动传感器节点生命周期内传输次数的方式,有效地调度移动传感器节点去修复网络中出现的覆盖空洞。仿真结果表明,所提出的算法能够有效地修复覆盖空洞,增加所有派遣移动传感器节点的传输次数、传输数据量、以及平均剩余能量,并且显著地延长网络生命周期和提高网络服务质量。(2)对于LS-HWSN的CICH修复问题,基于新颖的可信信息覆盖模型,本论文提出了一种集中式派遣修复(Centralized Dispatch Repairing,CDR)算法和一种分布式派遣修复(Distributed Dispatch Repairing,DDR)算法。可信信息覆盖模型的引入降低了WSN传感器节点的密度,并使得网络能准确检测其中出现的CICH。仿真结果表明,所提出的CDR算法和DDR算法有效地修复了CICH,减少了所有派遣移动传感器节点的丢失吞吐量和移动能耗,同时提高了网络的服务质量和延长了网络的生命周期。(3)对于LS-HWSN的CICH预测和修复问题,基于可信信息覆盖模型,本论文提出了一种CICH预测(CICH Predicting,CICHP)算法、集中式高能效修复(Centralized Energy-Efficient Repairing,CEER)算法和分布式高能效修复(Distributed Energy-Efficient Repairing,DEER)算法。CICHP算法通过使用传感器节点逐周期的能耗信息来预测CICH的先验信息,其中周期意为包含若干个工作轮的变量。根据CICH的先验信息,CEER和DEER可以预先调度移动传感器节点修复CICH。仿真结果表明,所提出的CICH修复算法可以有效修复网络中出现的CICH,减少所有派遣移动传感器节点的丢失感知数据和移动能耗,同时显著地提高网络服务质量和延长网络生命周期。此外,与同期算法相比较,所提出的集中式算法和分布式算法分别具有更好的性能和更低的算法时间复杂度。
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