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無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋關(guān)鍵技術(shù)
無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低功耗、低成本、集信息獲取、處理和傳輸于一體的微型E+E傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，近年受到廣泛關(guān)注。覆蓋控制是無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本研究問(wèn)題。通過(guò)覆蓋控制技術(shù)，能夠有效地利用無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)的有限資源，實(shí)現(xiàn)改善感知服務(wù)質(zhì)量或延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期等目的。柵欄覆蓋是無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制的研究熱點(diǎn)之一。

無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋關(guān)鍵技術(shù)
柵欄覆蓋考慮移動(dòng)目標(biāo)沿任意路徑穿越無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署區(qū)域時(shí)，如何保證移動(dòng)目標(biāo)被網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)的問(wèn)題，在邊境監(jiān)測(cè)、陣地布防、工業(yè)安保等方面具有廣泛的應(yīng)用需求。柵欄覆蓋與傳統(tǒng)的區(qū)域覆蓋相比，在部署區(qū)域、監(jiān)控目標(biāo)、監(jiān)控方式等方面顯著不同，傳統(tǒng)區(qū)域覆蓋領(lǐng)域的研究工作不能直接應(yīng)用于柵欄覆蓋，柵欄覆蓋目前仍是開放的研究領(lǐng)域，因此對(duì)無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)柵欄覆蓋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有積極的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。在弱柵欄覆蓋節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略、支持多節(jié)點(diǎn)信息融合的柵欄信息覆蓋、全移動(dòng)E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)k-柵欄覆蓋、混合E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)k-柵欄覆蓋等方面展開研究，主要研究工作包括：針對(duì)無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限、能量補(bǔ)充困難的特點(diǎn)，研究了無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)弱柵欄覆蓋zui大化網(wǎng)絡(luò)生存周期的節(jié)點(diǎn)調(diào)度問(wèn)題。首先引入條格劃分思想，提出了面向弱k-柵欄覆蓋應(yīng)用的柵欄覆蓋調(diào)度問(wèn)題BCSP,證明了該問(wèn)題是NP-Hard的。然后提出了一種集中式的啟發(fā)式節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法HBCS,該算法優(yōu)先選擇能夠柵欄覆蓋zui多條格的節(jié)點(diǎn)加入柵欄覆蓋集。zui后提出了一種*分布式的zui大化生存周期調(diào)度算法DBCS,該算法中各節(jié)點(diǎn)僅需通過(guò)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)所覆蓋條格的信息即可確定自身工作狀態(tài)，計(jì)算簡(jiǎn)單、通信開銷小，適合于大規(guī)模無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。仿真實(shí)驗(yàn)表明兩種調(diào)度算法均能夠有效地調(diào)度冗余節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)弱k-柵欄覆蓋，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，顯著延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。相鄰多個(gè)物理E+E傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)感知信息的融合，組成虛擬節(jié)點(diǎn)，將能夠彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)間的物理覆蓋空隙，增加?xùn)艡谕队伴L(zhǎng)度，提高柵欄覆蓋性能。研究了如何進(jìn)行虛擬節(jié)點(diǎn)組合以zui大化柵欄投影長(zhǎng)度的柵欄信息覆蓋虛擬節(jié)點(diǎn)組合問(wèn)題。主要工作包括：針對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)協(xié)作度的情況，推導(dǎo)出了虛擬節(jié)點(diǎn)信息覆蓋區(qū)域的柵欄投影長(zhǎng)度的近似下界，提出了一種對(duì)協(xié)作度k無(wú)限制的計(jì)算柵欄投影近似下界的通用方法?；诤献鞑┺睦碚?，建立了虛擬節(jié)點(diǎn)組合博弈模型，提出了一種分布式的虛擬節(jié)點(diǎn)組合算法DVSF,證明了DVSF算法的收斂性和zui終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)證明DVSF算法能夠顯著增加網(wǎng)絡(luò)的柵欄投影長(zhǎng)度之和，提高柵欄信息覆蓋性能，DVSF能夠與分布式的節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制良好地結(jié)合，大幅增加網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。針對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都具有有限移動(dòng)能力的全移動(dòng)E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前尚無(wú)解決能量高效的k-柵欄覆蓋構(gòu)建問(wèn)題的研究工作。研究了隨機(jī)部署的全移動(dòng)E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效地構(gòu)建k-柵欄覆蓋的問(wèn)題，主要工作包括：提出了1-柵欄覆蓋zui小移動(dòng)距離和問(wèn)題（1-BCMS問(wèn)題）?；诰W(wǎng)格劃分模型，將1-BCMS問(wèn)題近似為1-網(wǎng)格柵欄zui小移動(dòng)距離和問(wèn)題（1-GBMS問(wèn)題），給出了1-GBMS問(wèn)題的整數(shù)線性規(guī)劃描述，證明了1-GBMS問(wèn)題是NP-hard的。提出了一種能量高效的1-柵欄覆蓋構(gòu)建算法CBGB。仿真實(shí)驗(yàn)表明CBGB算法的求解結(jié)果與*解接近，有效減少了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離。與CBarrier算法相比，CBGB算法性能更優(yōu)。提出了基于分治策略的k-柵欄覆蓋構(gòu)建算法。與全局算法相比，該算法大幅減小了通信和計(jì)算開銷。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠有效地形成k-柵欄覆蓋，節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)距離不隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而增加，具有良好的可擴(kuò)展性，適用于大規(guī)模無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)由大量靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和少量移動(dòng)E+E傳感器節(jié)點(diǎn)組成的混合E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助下的k-柵欄覆蓋構(gòu)建問(wèn)題。主要工作包括：提出了一種集中式的混合E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)k-柵欄覆蓋構(gòu)建算法BCHN。該算法首先利用zui小費(fèi)用流算法尋找zui少數(shù)量的待修補(bǔ)空隙，然后對(duì)每個(gè)待修補(bǔ)空隙，選取具有zui短移動(dòng)距離的鄰近移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)。提出了一種分布式的L-局部k-柵欄覆蓋構(gòu)建算法DLBC。各靜態(tài)節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算自身局部2d長(zhǎng)度范圍內(nèi)的待修補(bǔ)空隙集合，然后利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)修補(bǔ)空隙，在自身局部2d長(zhǎng)度范圍內(nèi)形成k-柵欄覆蓋，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)即可形成L-局部k-柵欄覆蓋?；跐B透理論，分析了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的部署條件：如果監(jiān)控區(qū)域?qū)挾扰c長(zhǎng)度滿足條件，則當(dāng)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)密度時(shí)，無(wú)須部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。如果，則必須部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，才能保證形成柵欄覆蓋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BCHN算法在平均移動(dòng)距離、平均使用的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等方面均優(yōu)于MB算法；DLBC算法在較大d值的情況下，能夠通過(guò)形成L-局部k-柵欄覆蓋，間接保證全局k-柵欄覆蓋的形成。

綜上，針對(duì)柵欄覆蓋如何與節(jié)點(diǎn)調(diào)度、信息融合、移動(dòng)E+E傳感器等技術(shù)緊密結(jié)合提出了相應(yīng)的解決方案，充分發(fā)揮了柵欄覆蓋的優(yōu)勢(shì)，有效利用了無(wú)線E+E傳感器的有限資源，達(dá)到節(jié)省無(wú)線E+E傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量、延長(zhǎng)無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線E+E傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)用化具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。