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适用于区域警戒的无线传感器网络覆盖问题研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 无线传感器网络及其军事应用

1.1.2 战场侦察传感器节点简介

1.2 国内外研究现状

1.2.1 覆盖问题研究现状

1.2.2 空洞检测和修复算法研究进展

1.2.3 目前存在的问题

1.3 研究内容及创新性工作

1.4 论文结构

第2章 无线传感器警戒网络构建

2.1 覆盖方式与节点密度

2.1.1 区域覆盖

2.1.2 陷阱覆盖

2.1.3 栅栏覆盖

2.2 安全级别划分与覆盖方式选择

2.2.1 高级安全警戒级别

2.2.2 中级安全警戒级别

2.2.3 低级安全警戒级别

2.3 警戒网络框架

2.3.1 基本条件设置

2.3.2 网络体系结构

2.3.3 节点部署与网络组织

2.3.4 节点定位

2.3.5 网络工作流程

2.4 相关性能指标

2.3.1 路由方式

2.3.2 系统能耗

2.5 小结

第3章 陷阱空洞检测与修复

3.1 Delaunay-三角网生成

3.1.1 Delaunay-三角网简介

3.1.2 Delaunay-三角网生成算法

3.1.3 应用Delaunay-三角网的空洞检测

3.2 陷阱空洞检测

3.2.1 定义和假设

3.2.2 边界节点对的判定

3.2.3 检测算法实现

3.3 陷阱空洞修复

3.3.1 区分阙值的陷阱空洞修复

3.3.2 网络拓扑调整

3.3.3 修复算法实现

3.4 分析与仿真

3.4.1 仿真示例

3.4.2 算法复杂度

3.4.3 新增节点数

3.4.3 收敛性分析

3.5 小结

第4章 检测与修复算法的地形修正

4.1 地形数据信息的获取

4.1.1 DEM简介

4.1.2 坡度及坡向信息读取

4.2 方向梯度感知模型

4.3 检测算法的地形修正

4.4 修复算法的地形修正

4.5 算法流程

4.6 地形修正的影响及仿真分析

4.2.1 检测结果比较

4.2.2 坡度、坡向及节点间距的影响

4.7 小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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摘要

近年来,无线传感器网络技术发展迅速,因其低成本、低功耗、高适应性等特点,被广泛地应用到各个领域,特别是军事领域的应用一直被世界各国所广泛重视,区域警戒是其中一项重要应用。在保证网络覆盖性能的前提下,如何结合区域警戒自身特点和要求,降低网络成本,延长网络寿命,一直是这个研究方向的重点课题,也是影响无线传感器网络技术从理论到应用的一个关键问题。
  为了降低节点密度和网络成本,提高网络寿命,论文首先对区域覆盖、陷阱覆盖和栅栏覆盖这三种覆盖方式下的节点密度进行研究,相应地将监控区域划分为三种安全警戒级别,并设计一种区分不同安全警戒级别采取不同覆盖方式的覆盖方案。在此基础上,结合区域警戒的实际需求,初步建立了一种适用于区域警戒的无线传感器网络框架,并通过对该网络的覆盖性能、路由方式及系统能耗等相关性能的讨论,分析说明了其可行性。
  然后进一步针对三种覆盖方式中适合区域警戒应用的陷阱覆盖空洞的检测与修复进行研究,提出一种分布式陷阱空洞检测和修复方法。该方法利用Delaunay三角形划分和聚类获取空洞外形,然后基于权重判断节点修复顺序。从而避免了弧段拼接的多种可能性导致的失效并且有效降低了所需额外节点数。仿真实验有效地验证了该算法的可行性,对大面积陷阱空洞修复有更好的修复效果。
  最后结合实际地形应用背景,以丘陵地形为例,提出一种基于数字高程地图坡度信息的地形修正方法,通过构建传感器节点方向梯度感知模型,实现起伏地形下的陷阱空洞检测与修复。并在此基础上,进一步研究了坡度、坡向和节点间距对陷阱空洞检测结果的影响规律,为在实际地形条件下部署传感器网络提供了参考。

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