论文摘要：基于能量高效的无线传感器网络目标跟踪关键技术研究

目标跟踪是无线传感器网络最具代表性和挑战性的应用。为了完成目标跟踪任务，需要解决以下几个关键问题。首先，建立稳定的网络结构，完成网络的管理工作并且为节点之间的数据通信提供结构基础。然后，建立传感器节点与汇聚节点之间的数据通信，完成目标估计数据的传输。最后，综合多个传感器节点探测到的目标信息，估计目标的位置、速度等信息，利用网络结构和数据通信提供的服务将目标信息传送到汇聚节点。此外，由于无线传感器节点的能量非常有限，并且很难进行能量补充，在能量受限的条件下基于有限能量的高效利用解决上述问题是整篇论文的研究重点和难点。 本文围绕无线传感器网络目标跟踪这一核心主题，重点研究网络能量的高效利用难题，针对无线传感器网络目标跟踪所需要解决的网络结构组织、目标数据传输和目标定位跟踪三个关键问题，就分布式能量感知拓扑控制算法、冲突碰撞感知节能多路径路由协议和基于二元探测模型的分布式节能目标跟踪算法三个方面进行了研究，具体研究内容如下： 拓扑控制算法提供稳定、健壮的网络结构，为无线传感器网络目标跟踪系统的网络管理、目标数据传输提供服务。现有的拓扑控制算法侧重获得较小的连通支配集作为骨干网络，而没有考虑骨干节点的能量状态，导致骨干节点迅速耗尽能量。此外，骨干节点以最大功率发送数据，不仅浪费能量，而且产生很多冗余链路，使得网络拓扑不一定是平面图。本文将最小连通支配集和计算几何学相结合，提出了一种分布式能量感知拓扑控制算法。该算法首先选取能量寿命较长的节点构建最小连通支配集作为骨干网络，保证骨干节点有充足的能量完成路由转发任务。之后在最小连通支配集上面构建Delaunay三角剖分，降低骨干节点数据发送能耗，保证网络拓扑是平面图。通过选取能量寿命较长的替代节点进行拓扑重构，实现网络能量动态均衡。仿真结果表明，该算法在获得小的支配集的同时显著地延长了网络寿命。 路由协议完成目标数据分组转发任务，建立传感器节点与汇聚节点之间的数据通信。现有的多路径路由协议需要在全网络范围内进行泛洪路由发现，并且每个节点都以最大功率发送数据，造成巨大的能量浪费。此外，多条路径同时进行数据传输时存在严重的冲突碰撞。本文提出了一种冲突碰撞感知的节点不相交的节能多路径路由协议。该协议将路由发现过程限制在一定的范围内以减少泛洪路由发现的能量消耗。利用邻居节点的位置信息，每个节点以适当的功率发送路由发现消息和数据包，降低节点的能量开销。利用无线广播自身的特性，在不引入额外开销的前提下建立两条不存在数据传输冲突碰撞的路由路径。仿真结果表明，该协议不仅节省了网络能量，而且具有好的数据传输性能。 二元探测模型是用于目标跟踪的最基本模型，现有的基于二元探测模型的目标跟踪算法依赖于全网络时钟同步、目标做匀速直线运动等不实际的假设条件，采用复杂的集中式算法，实时性差，定位精度低。本文提出了一种基于理想二元探测模型的分布式节能目标跟踪算法。每个节点通过局部邻居节点间协同目标探测与信息交互进行目标的位置、速度和轨迹的估计，实现不需要全网络时钟同步的实时目标跟踪，并且可以应用到目标做随机、变速度运动的情况。通过分析以及仿真实验验证了算法的容错特性与节能特性，并从理论上指出其目标定位的精度性能。根据实际应用的需要，将该算法进一步扩展到非理想二元探测模型以及理想二元定向探测模型。大量的仿真实验表明这些算法可以获得比同类算法更高精度的目标位置、速度与轨迹估计。

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