《无线传感器网络中协作的能量高效的目标跟踪协议研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络中协作的能量高效的目标跟踪协议研究（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中南大学 硕士学位论文 无线传感器网络中协作的能量高效的目标跟踪协议研究 姓名：阿拉姆 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：王国军 20090501 摘要 随着无线传感器网络技术的飞速发展，在变化的环境中利用传感器对目标 进行跟踪、分析变得更加可行。目标跟踪是无线传感器网络中的一个具有挑战 性的应用，在此过程中计算量大、能量有限、实时性要求强。网络生命期的长 短在很大程度上取决于降低发射功率、发送消息数目、发现邻居的时间，以及 一定时间内选择的参与跟踪的传感器节点的数目。对于上述问题，国内外已有 很多文献进行了研究。本论文提出了一种协作的能量高效的目标跟踪协议 ( C o o
2、p e r a t i v ea n de n e r g y e f f i c i e n tt a r g e tt r a c k i n gp r o t o c o l i nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，C E T ) ，通过减少感应和通信能量来达到节省网络中目标跟踪能量消 耗的目的。 跟踪目标的对象称为跟踪者，如走动的人等。目标可能是任何移动对象如 敌方车辆、入侵者或运动中的消防战士。网络中的每个节点都能进行监测、通 讯、计算，其中一个处于活跃状态和工作状态的节点被当作信标节点负责监测， 另外一个处于同样状态的节点作为该
3、节点的备份以提高系统的容错性。一旦信 标节点因为某些问题而发生错误，备份节点将承担监测的任务，监测将会根据 跟踪者的要求而工作。每个传感器节点都具有计算能力，当任务完成后，信标 节点转换为非活动状态。为了进行节点的状态转换，本论文设计了一个专门的 节点唤醒机制，通过使用这种机制，信标节点相继处于活动状态，而其它节点 则周期性地处于睡眠和唤醒状态，以充分利用网络的节能特征，达到很好的节 能效果。 本论文的研究基于邻居合作的面感知路由，并且假设网络模型是圆盘模型， 所有节点都部署在二维平面上。面感知路由是由相邻图( R N G ) 和G a b r i e l 图( G G ) 来描述的，而相邻图
4、和G a b r i e l 图都是平面G 上的有限点集。目标跟踪过程可 以分为5 个步骤：即网络初始化、目标监测、跟踪者移动判断、定位和目标移 动方向估计，以及信标及备用信标节点选举。 本论文主要研究如何缩短节点捕获目标的时间，防止由于节点错误、路由 失败、跟踪失败而导致的目标跟踪丢失。在实际的无线传感器网络中，节点错 误、链接错误是经常发生的。本论文提出了一种合作的、能量高效的目标跟踪 协议( C E T ) ，该协议利用节点之间相互合作来避免不可预见的错误。特别地， 如果有目标在跟踪过程中丢失或发生错误，允许靠近信标节点的同一个面内的 邻居节点进行监测。即使在这种状态下，如果没有监测到目
5、标，面内所有的邻 居节点都会对目标进行重新定位。如果目标还没有监测到，附近面内的所有邻 居节点都会对目标进行重新定位。如果监测都失败，则算法会重新初始化。 C E T 协议使用一种基于预测的能量高效方法来估计目标的位置和方向，利 用二维高斯分布来预测目标的下一个位置。一旦获得目标的下一个位置，就重 新选出一个新的信标和备份信标节点。在C E T 协议中，假设网络中每个节点都 能够局部地估计节点感应、数据处理、与邻居节点通信所消耗的能量。 I I I 本论文利用O M N E T + + 平台进行模拟实验，开展了广泛的模拟实验和深入 研究，并进行了必要的实验数据收集。实验主要依据以下四个指标来评
6、估所提 出的协议：丢失率；首次捕获时间；预测误差；平均能量消耗；数据包开销。 性能分析和模拟实验表明，C E T 协议性能明显优于另外两个现有的目标跟踪协 议。本协议中，因为跟踪者不需要经常使用泛洪，并且也不需要调整面感知跟 踪方向，所以跟踪者能够相对比较快地捕获到目标。本协议通过简化传感器节 点的计算，减少传感器节点与跟踪者之间的数据传输量，从而在很大程度上减 少了能量消耗。此外，当目标移动速度增大时，与另外两个跟踪协议相比，本 协议需要发送的数据包的数量增长趋势更平缓。 I V A BS T R A C T C u r r e n td e v e l o p m e n t si nW
7、i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k s ( W S N s ) t e c h n o l o g yp r o v i d e i n c r e a s i n go p p o r t u n i t i e s t oa n a l y z et a r g e tb e h a v i o ra n dm o n i t o re n v i r o n m e n t a l p r o c e s s e si nac h a n g i n gw o r l d T a r g e tt r a c k i n gi s t y p i
8、c a l l yat h o u g h t - p r o v o k i n g a p p l i c a t i o ni nW S N s b e c a u s ei ti sa l w a y sc o m p u t a t i o n - i n t e n s i v e ，e n e r g yc o n s t r a i n e d a n dr e q u i r e sr e a l t i m ep r o c e s s i n g H o w e v e r ，m a x i m i z i n gt h el i f e t i m eo fw i r
9、e l e s s s e n s o rn e t w o r k su s e df o rt r a c k i n gam o v i n gt a r g e td e p e n d sg r e a t l yo nm i n i m i z i n g t r a n s m i s s i o np o w e rl e v e l s ，v o l u m eo fm e s s a g e s ，t i m ef o rn e i g h b o rd i s c o v e r y o p e r a t i o n s ，a n de s p e c i a l l
10、yo ns e l e c t i n g an u m b e ro fs e n s o r sa tag i v e nt i m e Av a r i e t y o fl i t e r a t u r e sh a v eb e e ns t u d i e dc o n c e r n i n gt h e s ei s s u e sm e n t i o n e da b o v ef o rt a r g e t 仃a c k i I l gi ns e n s o rn e t w o r k s A sar e s u l Lan o v e lc o o p e r
11、a t i v ea n de n e r g y e f f i c i e n t t a r g e tt r a c k i n gp r o t o c o li nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( C E T ) i sp r o p o s e dt or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o nf o rt r a c k i n gm o b i l et a r g e t si nW S N s i nt e r m so fs e n s i n ga n d c o m
12、m u n i c a t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o n A ne n t i t yt h a ti n t e n d st ot r a c kat a r g e ti sc a l l e dat r a c k e r At r a c k e ri sa s s u m e d t o b ea s i n g l eg e n e r i c s o u r c es u c ha sam o b i l eu s e ro rar e s p e c t i v ea u t h o r i t y At a r g e tC a
13、 n b ea n ym o v i n go b j e c ts u c ha sa ne n e m yv e h i c l e ，a ni n t r u d e r , o ram o v i n gf i r e E a c h s e n s o ri nt h en e t w o r kh a st h ec a p a b i l i t yo fs e n s i n g ，c o m m u n i c a t i n g ，a n dc o m p u t i n g O n eo ft h ea c t i v ea n dw o r k i n gs e n s
14、 o r si se l e c t e da saM o n i t o r ，a n da n o t h e ro n e1 5 e l e c t e da saB a c k u pf o rf a u l tt o l e r a n c ec o n c e r n I nac a s et h a tt h em o n i t o rh a sa n y p r o b l e md u et oa n yr e a s o n , t h eb a c k u pw i l lt a k et h er o l eo ft h em o n i t o r T h e m
15、o n i t o r C a nw o r ka tr e q u e s to ft h et r a c k e r E a c hm o n i t o ri sc a p a b l eo fc o m p u t a t i o n A f t e r f i n i s h i n gat a s k , t h em o n i t o rc h a n g e si t ss t a t e I n o r d e rt om a i n t a i nt h es t a t eo f o p e r a t i o n , as p e c i a lw a k e u
16、pm e c h a n i s mi sd e s i g n e d ，b yu s i n gt h em e c h a n i s mv i a w h i c hC E Tt a k e sa d v a n t a g eo ft h ee n e r g ys a v i n gf e a t u r ei ns e n s o rn e t w o r k s W h i l e t h em o n i t o r sg ot oa c t i v es t a t eo n ea f t e rt h eo t h e ra n dt h eo t h e rs e n s o r st y p i c a l l ys t a y i na p e r i o d i ci n a c t i v eo ra w a k i n gs t a t e T h i sw o r ki sd e s c r i b e db yu s i n gr e l a t i v en e i g h b o r h
