（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中协作的能量高效的目标跟踪协议研究.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 o o db a s e do nt h ec o n c e p to f f a c e a w a r er o u t i n g ，a n da s s u m i n gt h en e t w o r kt ob em o d e l e da sa u n i td i s kg r a p ha n d s e n s o rn o d e st ob ep l a c e di nat w o d i m e n s i o n a le u c l i d e a ns p a c e h o w e v e r , f a c e a w a r er o u t i n gi sd e s c r i b e db yt h ec o n c e p to f r e l a t i v en e i g h b o r h o o dg r a p h ( r n g ) a n dg a b r i e lg r a p h ( g g ) o faf m i t ep l a n n e rs e to fp o i n t si nt h ee u c l i d e a np l a n e t h e r e a r ef i v es t e p st od e s c r i b et h e o v e r a l lt a r g e tt r a c k i n gp r o c e s s ，n a m e l y ，t a r g e t i 1 1 i t i a i i z a t i o n t a r g e td e t e c t i o n , t r a c k e rm o v e m e n t ，l o c a t i o na n dd i r e c t i o n e s t i m a t i o n , a n dm o n i t o ra n db a c k u pe l e c t i o np r o c e s s t h em a i nm 矾v a t i o no fo u rw o r ki st os h o r t e nt a r g e tc a p t u r i n g t i m ea n dp r e v e n t t l l ec h a n c eo ft a r g e tm i s s i n gi ft h e r ei sa n yi n c i d e n to fn o d ef a i l u r e ，r o u t i n gf a i l u r e ，o r 1 0 s so f t r a c l ( i n g i nr e a lw s n s ，n o d eo rl i n kf a i l u r ei so f t e np o s s i b l e i nt h i st h e s i s ，t h e p r o p o s e dc e tp r o t o c o l a v o i d su n p r e d i c t e df a i l u r e st h r o u g ht h ec o o p e r a t i o no f s e n s o r s m o r es p e c i f i c a l l y ，i ft h e r ei sam i s s i n go rf a i l u r ee v e n t ，w e a l l o wn e i g h b o r s e n s o r sc l o s et 0t 1 1 em o n i t o ri nt h ef a c et oc o o p e r a t e e v e n i nt h i ss t a t e ，i ft h et a r g e ti s n o ts e n s e d w ea l l o wa l lt h en e i g h b o r si nt h ef a c e t or e l o c a t et h et a r g e t i ft h et a r g e ti s s t i l l1 1 0 ts e i l s e d ，w ea l l o wa l lt h en e i g h b o rs e n s o r si nc l o s ep r o x i m i t yo ft h ef a c et o r e l o c a t et h et a r g e t e v e nw h e na l lt h ei l e i g h b o r sf a i l ，c e tr e v e r t st o t h ei n i t i a ls t a t e a ne n e r g ys a v i n gp r e d i c t i o n b a s e dm e t h o di sd e m o n s t r a t e df o r e s t i m a t i o no f t h e t a r g e t ，sl o c a t i o na n dd i r e c t i o n ，a n dt w od i m e n s i o n a lg a u s s i a nd i s t r i b u t i o ni sa p p l i e d t op r e _ d i c tt h ef u t u r el o c a t i o no ft h et a r g e t o n c et h ef u t u r el o c a t i o no f t h et a r g e ti s k n o 、n an e wm o n i t o ra n dab a c k u pa r ce l e c t e d t h em a i na s s u m p t i o n m a d eb yt h i s c e ti st h a te a c hn o d ei nt h en e t w o r kc a nl o c a l l ye s t i m a t e t h ec o s to fs e n s i n g ， p r o c e s s i n g ，a n dc o m m u n i c a t i n g d a t at oa n o t h e rn o d e as i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sd e v e l o p e du s i n go m n e t + + s o f t w a r e a n e x t e n s i v e o b s e l v a t i o ni sp e r f o r m e da n dt h en e c e s s a r ye x p e r i m e n t a ld a t af o rt h i sr e s e a r c hi s c 0 1 1 e c t e df r o mi n - d e p t hs t u d y t h ee x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e di nr e g a r dt o f o u r e v a l u a t i o nm e t r i c s ，i e 1 ) m i s s i n gr a t e ；2 ) f i r s tc a p t u r i n gt i m e ；3 ) p r e d i c t i o ne r r o r ；4 ) a v e r a g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n d5 ) p a c k e to v e r h e a d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d s i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a tc e to u t p e r f o r m se x i s t i n gt w ot a r g e tt r a c k i n gp r o t o c o l s t h et 阳c k e rc a l lc a p t u r et h et a r g e tc o m p a r a t i v e l yf a s t e r ，d u et ot h ef a c tt h a tt h e t r a c k e r d o e sn o tn e e dt oo f t e nu s et h ef l o o d i n gm e c h a n i s m t h ep r o p o s e dp r o t o c o lg r e a t l y c o n t r i b u t e s t oe n e r g yc o n s e r v a t i o nb ys i m p l i f y i n gs e n s o r sc a l c u l a t i o n , a n d m i i l i m i z i n gt h ev o l u m eo fm e s s a g e se x c h a n g e db e t w e e ns c b s o i s a sw e l la ss e n s o r s a n d 缸a c k e r t h en u m b e ro fp a c k e to v e r h e a di sg r a d u a l l yi n c r e a s e di nc e t c o m p a r e d t oe x i s t i n gt w op r o t o c o l sw h i l et h et r a c k e rv e l o c i t yi n c r e a s e s h l i s to ft a b l e s t a b l e5 1 s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g s 6 9 i x l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1c o s ts p e c t r u mo f v a d o u sc o m p u t i n gp l a t f o r m s 2 f i g u r e1 2a ) w i r e dn e t w o r kb e f o r e2 0y e a r s ”c u r r e n tn e t w o r ka n dc ) p o s s i b l e d e p l o y m e n to fa c h o cw i r e l e s se m b e d d e dn e t w o r ka f t e r2 0y e a r s 3 f i g u r e2 1a s c e n a r i oo fi n t e m e t w o r k i n ga n dn o d e ss c a t t e r e di naw s n 1 l f i g u r e2 2s o m es p e c i f i cc h a l l e n g e sf o rs e n s o rn e t w o r k s 1 2 f i g u r e2 3a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t f r o mb a t t l e f i e l dt oh u m a nb o d y 13 f i g u r e2 4a ne x a m a p l eo f r e a lw o r l de n v i r o n e m n t 1 4 f i g u r e2 5s e n s o rn e t w o r kc o m p o n e n t s 1 4 f i g u r e2 6e x a m p l e so f d e p l o y m e n ts c e n a r i o s 11 ； f i g u r e2 7d e f i n i t i o n so ft h er n g ( 幻a n d ( b ) g g 19 f i g u r e2 8l t n ga l g o r i t h m 2 0 f i g u r e2 9g ga i g o r i t h m ：! 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e s s a g e 5 6 f i g u r e4 5d e t e c t i o no fw r o n gd i r e c t i o n ! ；7 f i g u r e4 6am o n i t o ri naf a c ei n d i c a t i n gn e x tp r o b a b l et a r g e t sd i r e c t i o n 5 8 f i g u r e4 7s t e pb ys t e pt a r g e tt r a c k i n gi nc e t 6 0 f i g u r e4 8i l l u s t r a t i o no fc o m m u n i c a t i o nl i n k e dl i s t 6 1 f i g u r e4 9 p s e u d oc o d eo fa l g o r i t h ml e v e l1 5 i 4 l f i g u r e 4 10p s e u d oc o d eo fa l g o r i t h ml e v e l2 6 5 f i g u r e5 1t h et i m et a r g e tb e i n gc a p t u r e df i r s tt i m e 7 2 f i g u r e5 2a v e r a g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ：( a ) b e f o r et h et a r g e ti sc a p t u r e d ( b ) a f t e rt h et a r g e ti sc a p t u r e d 7 ：! f i g u r e5 3 r e l a t i v ed i s t a n c eb e t w e e nt a r g e ta n dt r a c k e rc o n s i d e r i n gs p e e d 7 3 f i g u r e5 4c u m u l a t i v ee n e r g yc o n s e r v a t i o na st i m eg o e s 7 4 f i g u r e5 5p r e d i c t i o ne r r o rv s t i m e 7 5 f i g u r e5 6m i s s i n gr a t e a v e r a g em i s s i n gr a t e 7 6 f i g u r e5 7t h et o t a lp a c k e to v e r h e a di nd i f f e r e n tt a r g e tm o v i n gs e t t i n g s 一7 6 x 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名：型址迎日期：三轴二兰一月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段 保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：空曼垒塑导师签名型塾塾日期：日年二月二兰日 r 即 a c k n o w l e d g m e n t ia n lh a p p yt oh a v e b e e nh e r e ，i nt h ec u l t u r a la n dh i s t o d c a lc h a n g s h a , i nc e n t r a l s o u t hu n i v e r s i t yo fc h i n a , f o rm ym a s t e r sd e g r e es t u d y w o r d sc a n n o te x p r e s sm yd e e pa n ds m c e mg r a t i t u d et op r o f g u o j u nw a n g ，f o r h i sp a t i e n c ea n dg u i d a n c e h eh a sb e e ni n f i n i t e l yp a t i e n ta n de x t r e m e l ys u p p o r t i v e i a mb l e s s e dt oh a v eh a dh i ma sm ys u p e r v i s o ra n dp r o v i d e ds om u c hf r e e d o mt o e x p l o r ea n dd i s c o v e rn e w a r e a so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s h i sv a r i o u ss u g g e s t i o n s a n di d e a sh a v eh e l p e dm ei m p r o v et h eq u a l i t yo f m yw o r ka n db r i n gi tt ot h el e v e li ti s t o d a y 1w o u l dl i k et oa c k n o w l e d g et h ew o n d e r f u lp e o p l ea tt r u s t e dc o m m u t i n g i n s t i t u t ew h oh a v ec o n t r i b u t e dt r e m e n d o u s l yt o w a r d sm a k i n gm yl i f ec o m f o r t a b l ei n c s u ig r a bt h i so p p o r t u n i t yt ot h a n ka l lt h ep e o p l ei nt h ei n s t i t u t e ，e s p e c i a l l y ，p e n g y o n g ，x i n gx i a o f e i ，g ey u n ，c a oh u i l i n g ，x i ey o n g m i n ga n da m o n g s to t h e r s ，f o r t h e i rf r i e n d s h i p ，r e l i a b l eb e h a v i o r , l e n d i n gm eah e l p f u lh a n d 1w o u l da l s ol i k et ot h a n kt h ea s i af o r e i g ns c h o l a r s h i pa u t h o r i t ya n dc h i n e s e g o v e r n m e n tw h op r o v i d e dt h es c h o l a r s h i pt h a te n a b l e dm et op u r s u em ym a s t e r s d e g r e e l a s tb u tn o tl e a s t ，v e r ys p e c i a lt h a n k st om yp a r e n t sa n df a m i l yf o rt h e i r r e l e n t l e s s ，u n c o n d i t i o n a ls u p p o r ta n dl o v e s p e c i a l l y ，m ym o t h e r , s h ew a sm o r et h a n am o t h e r h e rs t r e n g t h ，e n d u r a n c e ，c h a r a c t e r , f r i e n d l i n e s s ，a n dl o v em e a n tal o tt om e s h ew i l la l w a y sb em i s s e d v i c s um a s t e r st h e s i s c h a p t e r1o v e r v i e wo f t h et h e s i s c h a p t e r 1o v e r v i e wo ft h et h e s i s t h st h e s i sa d d r e s s e st a r g e tt r a c k i n g p r o t o c o lu s e d f o rt r a c k i n go rm o n i t o r i n g a ne n t i t ya sf e d e r a t i n ge x i s t i n gc o m m u n i c a t i o n , t r a c k i n ga n d e n e r g ye f f i c i e n t p r o t o c o l s 知r e s o u r c ec o n s t r a i n t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko r s n s ) a p p l i c a t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ep r o t o c o l s , t h e i rt i m e l i n e s sa n d r e l i a b i l i t yf e a t u r e sa sw e l l6 8s o m ea d d i t i o n a lm e c h a n i s ma r ea s s e s s e da n d 拧删m e c h a n i s m sp r o p o s e df o re n g i n e e r i n gl a r g e - s c a l ea n de n e r g ye f f i c i e n t n e t w o r kt r a c k i n ga p p l i c a t i o n t h i sc h a p t e rp r o v i d e so v e r v i e w so f t h er e s e a r c h c o n t e x ta n do b j e c t i v e s , a n da l s oo u t l i n e st h em a j o rc o n t r i b u t i o n s 西t m sw o r k 1 1i n t r o d u c t i o n a h i g h w a yb r i d g eo v e rm i s s i s s i p p ir i v e ri nm i n n e a p o l i sc o l l a p s e dd u r i n gr u s h h o u ri n2 0 0 7 ，s e n d i n ga r o u n d5 0v e h i c l e s ，t o n so fc o n c r e t ea n dt w i s t e dm e t a l c r a s h i n gi n t ot h ew a t e r a c c o r d i n gt ot h el o c a ln e w s ，m o r et h a nn i n ep e o p l ed i e da n d 6 0w e r es e r i o u s l yw o u n d e d 01 t h i sd i s a s t e rc o u l dh a v eb e e na v o i d e di ft h eb r i d g e h a db e e ne q u i p p e dw i t haw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) s u c han e t w o r kw o u l d h a v ep r o v i d e de n o u g hl e a dt i m et oe i t h e rs h u td o w nt h e b r i d g eo rt r i g g e r a p r e c a u t i o n a r ym a i n t e n a n c et op r e v e n ts e r i o u sf a i l u r e s t h es e n s o rn o d e si n t h e w s n sa r ev e r yl i m i t e di nr e s o u r c e s ( b a t t e r y ，t r a n s m i s s i o nr a n g e ，m e m o r y ) b u tt h e c o m p o s i t i o no fh u n d r e d so ft h e s ed e v i c e sh a su n p r e c e d e n t e dn e wt e c h n o l o g i c a l o p p o r t u