節(jié)點部署是無線傳感器網(wǎng)絡研究的一個基本問題,部署效果的好壞直接影響無線傳感器網(wǎng)絡所提供的服務質量的好壞。本書結合作者長期以來在該領域的研究工作,基于信息融合理論,論述和總結無線傳感器網(wǎng)絡部署的發(fā)展、及所面臨的諸多技術挑戰(zhàn)。全書共分三篇,共十六章,內容涉及水下傳感器網(wǎng)絡部署、有向傳感器網(wǎng)絡部署和異構傳感器網(wǎng)絡部署,針對不同種類的傳感器節(jié)點,建立了概率感知模型,基于信息融合理論,給出了解決方案,為傳感器網(wǎng)絡部署提供了新思路。
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負責前端無線接入的無線傳感器網(wǎng)絡技術是支持物聯(lián)網(wǎng)以及未來移動通信系統(tǒng)的重要技術基礎,如何有效地部署傳感器節(jié)點并提高數(shù)據(jù)可靠性一直是研究無線傳感器網(wǎng)絡的重要課題。由于無線器傳感網(wǎng)絡節(jié)點具有可靠性差、冗余性高的特點,通過信息融合算法減少數(shù)據(jù)傳輸量、改進節(jié)點的部署算法、增加信息的可靠性是提高無線傳感器網(wǎng)絡服務質量的有效途徑。
本書圍繞無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點部署中的熱點和難點,以信息融合理論為主線索,基于作者在水下傳感器網(wǎng)絡部署、有向傳感器網(wǎng)絡部署、異構傳感網(wǎng)絡部署等課題中的研究成果,結合國內外重要研究成果展開詳細的闡述和分析,全書分三篇共16章。針對不同種類的傳感器節(jié)點,建立概率感知模型,基于信息融合理論,給出解決方案,為傳感器網(wǎng)絡部署提供新思路。本書可以作為無線傳感器網(wǎng)絡領域的研究人員及廣大對無線傳感器網(wǎng)絡感興趣的工程技術人員的參考用書,也可作為高等院校自動化、網(wǎng)絡、通信、電子等專業(yè)高年級本科生和研究生的學習教材。
第1章是緒論,主要介紹無線傳感網(wǎng)絡的概念、主要特點與關鍵技術,重點分析無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋部署問題。接下來分為三篇,第一篇是基于信息融合的水下傳感器網(wǎng)絡部署問題研究,其中第2章介紹水下傳感器網(wǎng)絡部署的研究進展;第3章介紹基于深度信息的水下傳感器網(wǎng)絡部署;第4章介紹水下傳感器網(wǎng)絡表面區(qū)域部署算法;第5章介紹混合通信方式的水下傳感器網(wǎng)絡部署;第6章介紹基于信度勢場的水下傳感器網(wǎng)絡部署;第7章介紹基于模糊數(shù)據(jù)融合的水下傳感器網(wǎng)絡部署;第8章介紹基于小分子模型的水下傳感器網(wǎng)絡部署。第二篇是基于信息融合的有向傳感器網(wǎng)絡部署,其中第9章介紹有向傳感器網(wǎng)絡的研究進展及常見的有向傳感器網(wǎng)絡節(jié)點感知模型;第10章介紹基于概率感知模型的有向傳感器網(wǎng)絡部署算法;第11章介紹視頻傳感器網(wǎng)絡路徑覆蓋算法;第12章介紹有向傳感器網(wǎng)絡強柵欄覆蓋算法。第三篇是基于信息融合的異構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署,其中第13章介紹異構傳感器網(wǎng)絡介紹及異構傳感器網(wǎng)絡部署簡介;第14章介紹感知數(shù)據(jù)類型異構的傳感器網(wǎng)絡部署;第15章介紹基于粗糙集的水下異構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署;第16章介紹基于粒子群算法的異構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署。
目錄
《智能科學技術著作叢書》序
前言
第1章 緒論 1
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡部署 1
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡分析 2
1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡的特點 9
1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 4
1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用 4
1.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋分類 5
1.3 傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制 7
1.3.1 休眠調度機制 7
1.3.2 移動節(jié)點調節(jié)機制 7
1.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡部署問題研究現(xiàn)狀 8
1.4 數(shù)據(jù)融合 10
1.4.1 數(shù)據(jù)融合的意義 10
1.4.2 常用的數(shù)據(jù)融合方法 10
參考文獻 12
第一篇 基于信息融合的水下傳感器網(wǎng)絡部署
第2章 水下傳感器網(wǎng)絡部署問題研究進展 17
2.1 水下傳感器網(wǎng)絡部署 17
9.9 水下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署研究進展 17
2.3 水下傳感器網(wǎng)絡的通信方式 20
2.4 本章小結 21
參考文獻 21
第3章 基于深度信息的水下傳感器網(wǎng)絡部署算法 24
3.1 引言 24
3.2 相關知識 25
3.2.1 水下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 25
3.2.2 水下傳感器節(jié)點感知模型 26
3.2.3 水下傳感器覆蓋率的計算 26
3.3 部署算法描述 27
3.3.1 基本假設 27
3.3.2 算法步驟 27
3.3.3 算法流程圖 28
3.4 仿真分析 29
3.4.1 層次劃分 30
3.4.2 水下目標分布 30
3.4.3 工作狀態(tài)的水下傳感器節(jié)點概率 31
3.4.4 檢測概率仿真分析 31
3.4.5 水下傳感器節(jié)點數(shù)目分析 32
3.4.6 生存時間仿真分析 33
3.5 本章小結 34
參考文獻 35
第4章 水下傳感器網(wǎng)絡表面區(qū)域高效部署 36
4.1 引言 36
4.2 水下傳感器網(wǎng)絡結構 37
4.2.1 水下傳感器網(wǎng)絡結構 38
4.2.2 水下傳感器節(jié)點 38
4.2.3 水下傳感器節(jié)點通信方式 39
4.3 節(jié)點動態(tài)分析 39
4.4 表面部署區(qū)域分析 41
4.4.1 給定區(qū)域部署 41
4.4.2 目標區(qū)域深度與部署的關系 42
4.5 本章小結 43
參考文獻 43
第5章 光學聲學通信混合水下傳感器網(wǎng)絡的分布式部署 45
5.1 副言 45
5.2 混合水下傳感器網(wǎng)絡部署結構 46
5.3 混合水下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署算法 49
5.4 仿真分析 49
5.4.1 節(jié)點數(shù)目分析 49
5.4.2 檢測概率分析 51
5.4.3 延時時間分析 51
5.4.4 網(wǎng)絡生存時間分析 52
5.5 本章小結 53
參考文獻 53
第6章 基于信度勢場算法的水下傳感器網(wǎng)絡部署算法 55
6.1 引言 55
6.2 背景知識與相關定義 56
6.2.1 DS證據(jù)理論基礎 56
6.2.2 被動聲吶節(jié)點的概率感知模型 56
6.2.3 相關定義 58
6.3 基于信度勢場算法的水下傳感器網(wǎng)絡部署 58
6.3.1 基于改進DS證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合模型 58
6.3.2 水下傳感器網(wǎng)絡的k-信度覆蓋分析 59
6.3.3 基于信度勢場算法的節(jié)點部署算法 60
6.4 仿真實驗與結果分析 62
6.4.1 仿真實驗參數(shù)設置 62
6.4.2 仿真結果分析 62
6.5 本章小結 66
參考文獻 66
第7章 基于模糊數(shù)據(jù)融合的水下傳感器網(wǎng)絡部署算法 68
7.1 基于模糊數(shù)據(jù)融合的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署策略 69
7.1.1 相關定義 69
7.1.2 數(shù)據(jù)融合模型 71
7.1.3 基于模糊模型的節(jié)點部署算法 72
7.2 仿真分析 73
7.2.1 仿真設置 73
7.2.2 結果與分析 73
7.3 本章小結 76
參考文獻 76
第8章 基于有機小分子模型的水下傳感器網(wǎng)絡部署算法 78
8.1 數(shù)學模型與假設 79
8.2 感知單元模型 81
8.3 基于有機小分子模型的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署策略 82
8.4 仿真分析 83
8.4.1 仿真設置 83
8.4.2 仿真結果與分析 83
8.5 本章小結 85
參考文獻 86
第二篇 基于信息融合的有向傳感器網(wǎng)絡部署
第9章 有向傳感器網(wǎng)絡覆蓋部署 91
9.1 有向傳感器網(wǎng)絡 91
9.1.1 有向傳感器網(wǎng)絡簡介 91
9.1.2 節(jié)點感知模型 91
9.1.3 節(jié)點通信模型 95
9.2 有向傳感器網(wǎng)絡的典型運行機制 97
9.2.1 休眠喚醒調度機制 97
9.2.2 節(jié)點運動方式 98
9.2.3 虛擬力原理 98
9.3 有向傳感器覆蓋部署 99
9.4 本章小結 100
參考文獻 100
第10章 基于概率感知模型的有向傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法 104
10.1 引言 104
10.2 感知模型 105
10.2.1 有向傳感器概率感知模型 105
10.2.2 覆蓋模型 107
10.3 基于概率感知模型的有向傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法 108
10.3.1 算法假設 108
10.3.2 標準工作方向 108
10.3.3 工作節(jié)點數(shù)量估算 112
10.3.4 算法描述 112
10.4 仿真分析 115
10.5 本章小結 118
參考文獻 118
第11章 視頻傳感器網(wǎng)絡路徑覆蓋改進算法 120
11.1 引言 120
11.2 感知模型 121
11.2.1 概率感知模型 121
11.2.2 計算等效質心 122
11.2.3 目標軌跡 123
11.2.4 覆蓋模型 123
11.3 基于概率感知模型的視頻傳感器網(wǎng)絡路徑覆蓋增強算法 125
11.3.1 算法設定 125
11.3.2 虛擬力受力分析 125
11.3.3 算法描述 127
11.4 仿真分析 128
11.5 本章小結 131
參考文獻 132
第12章 有向傳感器網(wǎng)絡強柵欄覆蓋算法 133
12.1 引言 133
12.2 問題描述 134
12.2.1 感知模型 134
12.2.2 數(shù)據(jù)融合模型 135
12.2.3 有向傳感器網(wǎng)絡柵欄覆蓋分析 136
12.3 有向傳感器網(wǎng)絡柵欄覆蓋算法 139
12.3.1 粒子群算法在柵欄覆蓋中的應用分析 139
12.3.2 問題分析 140
12.4 算法描述 141
12.4.1 算法假設 141
12.4.2 算法步驟 141
12.4.3 算法收斂性分析 142
12.5 仿真分析 143
12.6 本章小結 147
參考文獻 147
第三篇 基于信息融含的異構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署
第13章 異構無線傳感器網(wǎng)絡 151
13.1 異構傳感網(wǎng)絡簡介 151
13.2 異構傳感網(wǎng)絡特點 152
基于信息融合的無線傳感器網(wǎng)絡部署
13.3 異構無線傳感器網(wǎng)絡部署 152
13.4 本章小結 153
參考文獻 153
第14章 感知數(shù)據(jù)類型異構的傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制 155
14.1 引言 155
14.2 預備知識 156
14.2.1 節(jié)點模型 156
14.2.2 DS理論 156
14.2.3 三角融合網(wǎng)格 157
14.2.4 相關定義 157
14.3 問題分析 157
14.4 算法步驟 158
14.5 仿真實驗分析 159
14.5.1 部署效果 159
14.5.2 覆蓋效果 159
14.5.3 網(wǎng)絡冗余度 161
14.5.4 網(wǎng)絡運行時間 161
14.6 本章小結 162
參考文獻 162
第15章 基于粗糙集的水下異構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署 164
15.1 引言 164
15.2 異構傳感器網(wǎng)絡模型 165
15.2.1 磁感知節(jié)點模型 165
15.2.2 數(shù)據(jù)融合模型 166
15.3 基于粗糙集勢場的節(jié)點部署策略 168
15.3.1 截面部署 168
15.3.2 每層最佳節(jié)點數(shù)目 168
15.3.3 不同網(wǎng)絡層輪替工作模式 170
15.4 算法描述 170
15.5 仿真分析 171
15.5.1 覆蓋效果 172
15.5.2 多層傳感器網(wǎng)絡覆蓋效果 173
15.5.3 與立體覆蓋效果對比 173
15.5.4 特殊情況覆蓋效果 174
15.6 本章小結 175
參考文獻 175
第16章 異構傳感器網(wǎng)絡基于粒子群算法的部署策略 177
16.1 引言 177
16.2 異構傳感器網(wǎng)絡模型 178
16.2.1 異構節(jié)點模型 178
16.2.2 數(shù)據(jù)融合模型 179
16.2.3 網(wǎng)絡模型 179
16.3 粒子群算法應用 179
16.3.1 基本粒子群算法 179
16.3.2 適用異構性的粒子群算法 180
16.4 基于粒子群的部署算法 182
16.5 仿真分析 182
16.5.1 算法覆蓋效果對比 183
16.5.2 粒子數(shù)對算法影響 183
16.5.3 算法收斂性 185
16.5.4 節(jié)點移動距離對比 185
16.6 本章小結 186
參考文獻 186
《智能科學技術著作叢書:基于信息融合的無線傳感器網(wǎng)絡部署》:
1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術
1)時間同步技術
無線傳感器網(wǎng)絡以采集信息并及時傳送出去為目的,而時間同步是傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時性的保證,是實現(xiàn)所有節(jié)點協(xié)同進行工作的前提。時間同步技術是無線傳感器網(wǎng)絡的一項基本支撐技術,是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡定位、不同節(jié)點數(shù)據(jù)融合、目標捕捉等技術以及各項MAC層協(xié)議的基礎。
2)定位技術
在無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點需要定位自己的位置,以實現(xiàn)目前的大多數(shù)部署策略,并在運行工作時,能夠提供目標事件發(fā)生的具體位置,所以定位技術是無線傳感器網(wǎng)絡的一項基本支撐技術。
3)網(wǎng)絡拓撲控制技術
無線傳感器網(wǎng)絡的各項資源普遍受限,因此通過調節(jié)傳感器節(jié)點的發(fā)射功率、設置節(jié)點分簇機制或采用休眠調度機制等方法,以減少網(wǎng)絡的整體能耗、減少無線通道的相互干擾、鞏固網(wǎng)絡的連通性等提高網(wǎng)絡性能的拓撲控制技術,變得非常重要。
4)數(shù)據(jù)融合技術
數(shù)據(jù)融合技術是指通過數(shù)據(jù)壓縮和分類選擇等方法,保留數(shù)據(jù)信息中的有效部分,去除信息數(shù)據(jù)中的冗余及無效部分,達到減少傳輸數(shù)據(jù)量的方法。數(shù)據(jù)融合以增加節(jié)點的數(shù)據(jù)處理成本為代價,提高數(shù)據(jù)的可靠性、減少數(shù)據(jù)傳輸能耗和無線信道的干擾。
5)其他關鍵技術
無線傳感器網(wǎng)絡除了上述簡要介紹的幾種關鍵技術之外,還有網(wǎng)絡安全技術、數(shù)據(jù)管理技術、嵌入式操作技術、無線通信技術、網(wǎng)絡協(xié)議、應用層技術等相關技術。
1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用
無線傳感器網(wǎng)絡的感知技術在生活中無時不在、無處不在,可應用于大多數(shù)的生活環(huán)境,幫助人們深入了解甚至控制周圍環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、民用、工業(yè)、商業(yè)、災害應急救援甚至宇宙探索方面都有著重要的應用。
1)軍事應用
無線傳感器網(wǎng)絡作為信息時代的產物,在軍事上的指揮部署兵力、情報搜集、信息對抗和戰(zhàn)場救援方面提供技術支持。無線傳感器網(wǎng)絡具有很強的魯棒性、定位能力和自組織能力,且其節(jié)點成本低廉,在部署到敵方區(qū)域之后采集信息、跟蹤目標,即使部分遭到破壞,也不會對整個網(wǎng)絡造成太大的損失,更不會造成人員的傷亡。同時,傳感器網(wǎng)絡應用到兵器和作戰(zhàn)單位中后,可以第一時間共享戰(zhàn)場信息,能夠提高軍事打擊的精度,極大地提高各作戰(zhàn)單位的協(xié)調性。
……