异构收发分置雷达的栅栏优化部署

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栅栏覆盖问题是无线传感网络中的热点研究问题。无线传感器网络的栅栏覆盖模型和技术在边境监控、重要区域的入侵检测等领域有重要的理论和应用价值。许多学者对基于全向、定向传感器感知模型的栅栏优化覆盖问题进行了研究,提出了弱栅栏覆盖、强栅栏覆盖、K-栅栏覆盖等满足不同应用场景的栅栏优化部署方法。  近几年,有学者开始研究基于收发分置雷达传感器网络(BRSN-Bistatic Radar Sensor Networks)的栅栏覆盖问题。与上述全向、定向的传感器感知模型不同,收发分置雷达传感器由雷达信号发送器节点和接收器节点构成,接收器通过接收目标反射的发送器雷达信号实现对目标监测。BRSN传感器的有效感知范围是一个卡西尼曲线包围的卵形区域,范围大小由发送器和接收器之间的距离和最小有效监测信噪比确定。因此,这种特殊感知模型特性给收发分置雷达的栅栏覆盖问题研究带来了很大的挑战性。  (1)目前关于BRSN栅栏覆盖问题的研究都是基于所有雷达传感器具有相同物理参数,即所有雷达的发送器和接收器都是同构的假设前提下展开的。但是,在现实场景中,通常也需要考虑不同物理参数的异构雷达传感器协同工作,实现区域的监测覆盖。因此,本文首次提出了异构收发分置雷达(HBRSN-Heterogeneous Bistatic Radar Sensor Networks)的栅栏优化部署问题,针对两类HBRSN栅栏的优化覆盖部署进行研究,并提出了新的HBRSN最优栅栏部署模型和算法。本文的主要研究工作和创新如下:异构单接收收发分置雷达栅栏部署:我们首次提出了异构单接收收发分置雷达的栅栏最优部署方法:通过分析发送器的最大部署间隔,设计了异构收发分置雷达的聚合部署方法,在满足弱点信噪比情况下,使每个发送器的覆盖集的覆盖范围最大化;通过理论分析证明了按照聚合部署方法构成的栅栏部署序列可以实现最优栅栏部署,解决了M个异构发送器和N接收器时的最优栅栏部署问题;最后通过模拟实验验证了最优部署方法的有效性。  (2)异构多接收收发分置雷达栅栏部署:我们首次提出了异构多接收收发分置雷达的栅栏最优部署方法:1)通过分析和构造异构发送器的最大部署间隔,设计了在两个发送器之间部署多个接收器的最优部署方法。2)研究了在发送器部署顺序确定情况下的栅栏最优部署问题,提出了平衡状态序列的部署思想和接收器个数临界值的定义,证明平衡状态序列满足发送器顺序固定情况下的最优部署;利用平衡状态序列是最优部署序列的特性,设计了在接收器个数大于临界(3)值和小于临界值时的最优部署算法,解决了在发送器顺序固定情况下的最优部署问题。3)最后研究了在发送器部署顺序不确定情况下的最优部署问题,分析证明了:当所部署的接收器个数大于接收器临界值时,不同发送器顺序的部署序列是等价的,因此,可以利用平衡状态序列的部署特性解决发送器顺序不确定情况下的最优栅栏部署问题;而当所部署的接收器个数小于临界值时,难以通过启发式搜索找到最优部署序列。  (4)对于本文中提出的方法,我们在VS2010的平台上进行了编码实现,并且进行了大量的模拟实验。作为对比,我们分别针对单接收异构收发分置雷达和多接收异构收发分置雷达的场景提出了若干种不同的部署策略并分别进行了编码实现。最终的实验结果表明,与其他的部署方法相比,本文所提出的方法具有非常明显的优势,我们通过了实验的方式进一步地验证了我们提出的理论方法的正确性和有效性。
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