專利名稱：：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗管理方法的
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是移動節(jié)點的能耗管理技術(shù)。
背景技術(shù)：
：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，覆蓋與能耗是一組矛盾，即隨著覆蓋程度提高，能耗也隨之增加，研究如何在滿足區(qū)域覆蓋要求的同時降低網(wǎng)絡(luò)總能耗，即研究覆蓋能耗平衡優(yōu)化具有重要意義。通常采用的覆蓋能耗平衡優(yōu)化方法有冗余部署節(jié)點，根據(jù)目標(biāo)實時狀況，使節(jié)點輪換“活躍”和“休眠”的節(jié)能覆蓋方案，這以投入大量的冗余節(jié)點為代價；通過調(diào)整節(jié)點位置進(jìn)行動態(tài)布局優(yōu)化，如果節(jié)點位置調(diào)整后依然存在較多的感知重疊區(qū)域，仍然會產(chǎn)生不必要的能耗；對于隨機(jī)部署的固定節(jié)點，通過調(diào)節(jié)節(jié)點的感知距離達(dá)到節(jié)能覆蓋，但如果節(jié)點分布不均勻，將會降低節(jié)能覆蓋效果。
發(fā)明內(nèi)容無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署在觀測環(huán)境中的傳感器節(jié)點組成，布局靈活、協(xié)同處理能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋程度以及網(wǎng)絡(luò)能耗是衡量其性能的重要指標(biāo)。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋與能耗是一組矛盾，即隨著覆蓋程度提高，能耗也隨之增加，所以研究如何在滿足區(qū)域覆蓋要求的同時降低能耗，即研究覆蓋能耗平衡優(yōu)化具有重要意義。通常在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用冗余部署節(jié)點，根據(jù)目標(biāo)實時狀況，使節(jié)點輪換“活躍”和“休眠”的節(jié)能覆蓋方案；近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)布局優(yōu)化得到廣泛關(guān)注，該類方法根據(jù)監(jiān)測環(huán)境，以提高網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)，動態(tài)地實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。隨著感知距離可調(diào)的傳感器節(jié)點的出現(xiàn)，基于節(jié)點感知距離調(diào)節(jié)的平衡覆蓋能耗的方法也逐漸引起重視，該類方法主要是通過設(shè)定合理的節(jié)點感知距離，使得網(wǎng)絡(luò)在滿足覆蓋要求的同時降低能耗。本發(fā)明針對節(jié)點感知距離可調(diào)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于粒子群算法，實現(xiàn)覆蓋、能耗平衡的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化策略。首先通過粒子群算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的布局，減少感知重疊區(qū)和感知盲區(qū)，提高區(qū)域覆蓋質(zhì)量；然后在保證一定的區(qū)域覆蓋質(zhì)量的前提下，通過調(diào)整節(jié)點感知距離，進(jìn)一步減少感知重疊區(qū)，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。圖I是仿真實驗I結(jié)果的示意2是仿真實驗2結(jié)果示意3是仿真實驗3結(jié)果示意4是三種優(yōu)化方法的仿真實驗結(jié)果示意圖具體實施例方式下面就本策略的具體實施過程及通過附圖和具體仿真實驗對本發(fā)明做進(jìn)一步詳盡的說明。步驟一基于粒子群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)布局優(yōu)化。過程如下I)初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點位置，每個節(jié)點的感知半徑ri(i=,..,N)=r,rGR，且為一個固定值，計算網(wǎng)絡(luò)的初始覆蓋率。2)設(shè)種群規(guī)模為m，生成各粒子的初始位置和速度，設(shè)置粒子的個體最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值均為網(wǎng)絡(luò)的初始覆蓋率。3)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評價方法計算各粒子適應(yīng)值。4)將各粒子的當(dāng)前適應(yīng)值和個體最優(yōu)適應(yīng)值、全局最優(yōu)適應(yīng)值比較，并根據(jù)式(11)-(12)更新個體最優(yōu)位置Pid、全局最優(yōu)位置Pgd、當(dāng)前速度Vid和當(dāng)前位置xid。5)如果達(dá)到停止條件(達(dá)到預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)MaxDT或者預(yù)設(shè)適應(yīng)值)則停止，輸出運行結(jié)果，否則返回步驟3)。步驟二覆蓋能耗平衡優(yōu)化算法設(shè)計。在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布動態(tài)局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行覆蓋能耗平衡優(yōu)化。設(shè)傳感器節(jié)點已根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化完成位置遷移，每個節(jié)點感知半徑的調(diào)整范圍為O-Hr為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)布局優(yōu)化中設(shè)置的一個固定值)，最大速度限額Vmm=0.IXr,當(dāng)vi&>Vmm,令vi&=Vmaxr；當(dāng)Vitt<Vmaxr時，則令Vit=-VmaxrO當(dāng)粒子離開搜索空間時,假如Xit>T,設(shè)Xit=r，假如Xitt<r，則設(shè)xi&=O。基于粒子群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化算法設(shè)計如下I)初始化傳感器節(jié)點感知半徑，為保證一定的初始覆蓋率，避免陷入局部最優(yōu)，設(shè)置節(jié)點感知半徑為r-r/2之間的隨機(jī)數(shù)，設(shè)置覆蓋率閾值Cth，設(shè)置節(jié)點感知距離可調(diào)范圍R為0r。2)計算經(jīng)動態(tài)布局優(yōu)化后，覆蓋能耗平衡值小。3)設(shè)定種群規(guī)模m，生成各粒子的初始位置和速度，設(shè)置粒子的個體最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，這兩個值均為經(jīng)動態(tài)布局優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能耗平衡值小。4)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋及覆蓋能耗優(yōu)化性能評價方法計算各粒子覆蓋率和覆蓋能耗平衡優(yōu)化適應(yīng)值。5)將各粒子覆蓋率和Cth比較，將各粒子的當(dāng)前適應(yīng)值和個體最優(yōu)適應(yīng)值、全局最優(yōu)適應(yīng)值比較，并根據(jù)式(11)-(12)更新個體最優(yōu)位置Pit、全局最優(yōu)位置P*、當(dāng)前速度Vidr和當(dāng)前位置xi&。6)如果達(dá)到停止條件(達(dá)到預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)MaxDTr或者預(yù)設(shè)適應(yīng)值)則停止，輸出運行結(jié)果，否則返回步驟4)。步驟三覆蓋能耗平衡優(yōu)化仿真實驗。假設(shè)在邊長為20m的正方形監(jiān)測區(qū)域中部署N個感知距離可調(diào)的移動傳感器節(jié)點，感知距離的調(diào)節(jié)范圍R為0r(設(shè)r=5),每個節(jié)點感知半徑!TiGR，當(dāng)=0時,節(jié)點處于休眠狀態(tài)。測量可靠性參數(shù)匕=0.5ri，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域覆蓋率閾值Cth=O.9,概率模型測量參數(shù)為Ct1=La2=O,^1=Id2=O.5,加速因子C1=C2=I,調(diào)整系數(shù)η=1，Θ=1，MaxDT=500，MaxDTr=300，采用主頻為2.26GHz的PC機(jī)在Matlab環(huán)境下仿真。實驗I。Sn=20,每個節(jié)點的初始感知半徑;ri(i=1...,N)=r,初始化隨機(jī)部署后傳感器節(jié)點位置如圖1(a)所示，網(wǎng)絡(luò)的初始區(qū)域覆蓋率QaMa=86%，覆蓋能耗平衡值Φ=O.0086。采用粒子群算法進(jìn)行動態(tài)布局優(yōu)化，以網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整傳感器節(jié)點位置；在此基礎(chǔ)上，在滿足Qa_SCth的前提下，以為優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群算法進(jìn)行覆蓋能耗平衡優(yōu)化，調(diào)整傳感器節(jié)點感知距離。優(yōu)化后監(jiān)測區(qū)域中傳感器節(jié)點的布局情況如圖1(b)所示，節(jié)點較為均勻地分布在監(jiān)測區(qū)域中，其中有8個節(jié)點處于休眠狀態(tài)，其他12個節(jié)點處于感知狀態(tài)且感知距離各不相同，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率Qmea=90%，覆蓋能耗平衡優(yōu)化值=0.0162。實驗2。設(shè)N=25,每個節(jié)點的初始感知半徑;ri(i=1...,N)=r,初始化隨機(jī)部署后傳感器節(jié)點位置如圖2(a)所示，網(wǎng)絡(luò)的初始區(qū)域覆蓋率Qara=87.81%，覆蓋能耗平衡值Φ=0.0070。覆蓋能耗平衡優(yōu)化后監(jiān)測區(qū)域中傳感器節(jié)點的布局情況如圖2(b)所示，共有14個節(jié)點處于休眠狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點比實驗I增加了6個，11個節(jié)點處于不同感知距離的感知狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率Qmea=90%，覆蓋能耗平衡優(yōu)化值Φ_=O.0151。實驗3。設(shè)N=30,每個節(jié)點的初始感知半徑;ri(i=1...,N)=r,初始化隨機(jī)部署后傳感器節(jié)點位置如圖3(a)所示，網(wǎng)絡(luò)的初始區(qū)域覆蓋率Qmea=89.6%，覆蓋能耗平衡值Φ=0.0060。覆蓋能耗平衡優(yōu)化后監(jiān)測區(qū)域中傳感器節(jié)點的布局情況如圖3(b)所示，共有18個節(jié)點處于休眠狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點比實驗2又增加了4個，12個節(jié)點處于不同感知距離的感知狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率Qmea=90%，覆蓋能耗平衡優(yōu)化值Φ_=O.0158。從以上實驗結(jié)果可見，采用覆蓋能耗平衡優(yōu)化能有效減少感知盲區(qū)和感知重疊區(qū)，提升覆蓋能耗平衡值。為進(jìn)一步驗證覆蓋能耗平衡優(yōu)化的有效性，采用以下三種優(yōu)化方法，比較達(dá)到相同區(qū)域覆蓋率時各自的網(wǎng)絡(luò)能量消耗。本發(fā)明方法(方法I)。按照LinZhuliang,FengYuanjing.Optimizationstrategyofwirelesssensornetworkscoveragebasedonparticleswarmalgorithm[J].ComputerSimulation,2009,26(4):190-193.提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化思想,采用粒子群算法進(jìn)行動態(tài)布局優(yōu)化，通過調(diào)整傳感器節(jié)點位置，提高網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率(方法2)。傳感器節(jié)點感知半徑HreR)根據(jù)所要達(dá)到的區(qū)域覆蓋率目標(biāo)來設(shè)定。按照WuJandYangS.Coverageissueinsensornetworkswithadjustableranges[C]·InternationalConferencesonParallelProcessingWorkshops,Montreal,Quebec,August2004:61-68.提出的基于節(jié)點感知距離調(diào)節(jié)的節(jié)能覆蓋優(yōu)化思想，對于隨機(jī)部署的固定節(jié)點，通過調(diào)節(jié)節(jié)點的感知距離，使得網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率Q_a^Cth的前提下，網(wǎng)絡(luò)能量消耗最低(方法3)。在邊長為20m的正方形監(jiān)測區(qū)域中部署N個感知距離可調(diào)的移動傳感器節(jié)點，實驗參數(shù)同4.1，當(dāng)N=20、N=25、N=30時，分別采用上述三種優(yōu)化方法進(jìn)行20次獨立優(yōu)化仿真實驗，實驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域中部署傳感器節(jié)點數(shù)較少(N=20)時，方法3中節(jié)點為隨機(jī)部署，存在較多的感知盲區(qū)，Qarea最大值只能達(dá)到90%左右，方法2較方法3有效；當(dāng)監(jiān)測區(qū)域中部署傳感器節(jié)點數(shù)增加(N=25,N=30)，在區(qū)域覆蓋率要求較低時，方法3的感知距離調(diào)整能有效減少感知重疊區(qū)域、降低網(wǎng)絡(luò)能耗，覆蓋能耗平衡優(yōu)化值優(yōu)于方法2，隨著區(qū)域覆蓋率的增加，方法3中由于感知盲區(qū)的存在，優(yōu)勢逐步消失，方法2優(yōu)于方法3;采用方法I能有效減少感知重疊區(qū)域和感知盲區(qū)，其覆蓋能耗平衡優(yōu)化值始終高于傳統(tǒng)方法(方法I、方法2)，由于覆蓋能耗平衡優(yōu)化值為區(qū)域的覆蓋率Qma和網(wǎng)絡(luò)總能耗E之比，所以當(dāng)區(qū)域覆蓋率相同時，方法I的網(wǎng)絡(luò)總能耗E最小，從而證明了該策略的有效性。權(quán)利要求1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化策略，其特征在于在該特定無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)中的固定節(jié)點提供一種預(yù)激活機(jī)制，移動節(jié)點通過這種預(yù)激活機(jī)制調(diào)節(jié)自身的睡眠周期來獲得最大的生命期同時確保正常的通信。假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域A為二維平面，在該區(qū)域上投放參數(shù)相同的N個傳感器節(jié)點，節(jié)點感知半徑r,通信范圍C,傳感器節(jié)點表示為K{k1;k2,···,kN}設(shè)傳感器節(jié)點k1的位置為(Xi，yi)，監(jiān)測目標(biāo)M位于(X，y)，則監(jiān)測目標(biāo)M與傳感器節(jié)點h的距離為2.在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布動態(tài)局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行覆蓋能耗平衡優(yōu)化。設(shè)傳感器節(jié)點已根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化完成位置遷移，每個節(jié)點感知半徑的調(diào)整范圍為O-Hr為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)布局優(yōu)化中設(shè)置的一個固定值)，最大速度限額Vmm=0.IXr,當(dāng)vidr>Vmm,令vidr=Vmaxr；當(dāng)Vidr<Vmaxr時，則令Vidr=。當(dāng)粒子離開搜索空間時,假如Xi&>T,設(shè)Xi&=T,假如Xit<r,則設(shè)Xi&=O。基于粒子群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化算法設(shè)計如下步驟一初始化傳感器節(jié)點感知半徑，為保證一定的初始覆蓋率，避免陷入局部最優(yōu)，設(shè)置節(jié)點感知半徑為r-r/2之間的隨機(jī)數(shù)，設(shè)置覆蓋率閾值Vth，設(shè)置節(jié)點感知距離可調(diào)范圍R為0r。步驟二計算經(jīng)動態(tài)布局優(yōu)化后，覆蓋能耗平衡值小。步驟三設(shè)定種群規(guī)模m，生成各粒子的初始位置和速度，設(shè)置粒子的個體最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，這兩個值均為經(jīng)動態(tài)布局優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能耗平衡值小。步驟四根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋及覆蓋能耗優(yōu)化性能評價方法計算各粒子覆蓋率和覆蓋能耗平衡優(yōu)化適應(yīng)值。步驟五將各粒子覆蓋率和Cth比較，將各粒子的當(dāng)前適應(yīng)值和個體最優(yōu)適應(yīng)值、全局最優(yōu)適應(yīng)值比較，并根據(jù)式(11)-(12)更新個體最優(yōu)位置Pit、全局最優(yōu)位置P*、當(dāng)前速度Vidr和當(dāng)前位置xi&。步驟六如果達(dá)到停止條件(達(dá)到預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)MaxDTr或者預(yù)設(shè)適應(yīng)值)則停止，輸出運行結(jié)果，否則返回步驟四)。全文摘要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋程度以及網(wǎng)絡(luò)能耗是衡量其性能的重要指標(biāo)，通過對節(jié)點的合理配置，有利于保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，平衡網(wǎng)絡(luò)能耗。針對節(jié)點感知距離可調(diào)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化策略，本策略以滿足一定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋質(zhì)量為前提，以覆蓋能耗平衡為優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群算法，首先對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點布局進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上通過合理調(diào)整節(jié)點感知距離，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗性能最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)節(jié)能覆蓋方案相比，本策略能夠有效減少感知重疊區(qū)和感知盲區(qū)，提高網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。文檔編號H04W84/18GK102647726SQ20121004278公開日2012年8月22日申請日期2012年2月17日優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日發(fā)明者華馳,王輝,顧曉燕申請人:無錫英臻科技有限公司