專利名稱：基于蟻群搜索算法的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能計算兩大領(lǐng)域，主要公開了一種基于蟻群搜索 算法的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，實時監(jiān)察已在戰(zhàn)場監(jiān)視，環(huán)境監(jiān)督和交通管 理等應(yīng)用中成為現(xiàn)實。這些應(yīng)用通常要求配備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們的服務(wù)質(zhì)量與無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的性能緊密相聯(lián)。評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本標準是網(wǎng)絡(luò)的壽命，即網(wǎng)絡(luò)能 夠滿足應(yīng)用需求的時間。由于目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大都是由一次性電池對設(shè)備進行供 電，如何提高電池的利用效率從而延長網(wǎng)絡(luò)的壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用中最為重 要和最具挑戰(zhàn)性的問題之一。已有的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的方法集中于解決設(shè)備的布 置問題，數(shù)據(jù)的壓縮問題，傳輸路由問題，網(wǎng)絡(luò)拓撲的管理問題及設(shè)備的控制問題。在這些 方法中，設(shè)備控制技術(shù)通過安排設(shè)備的工作/休眠時間能夠有效地降低設(shè)備的能量消耗， 達到延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。例如，設(shè)備控制技術(shù)可將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為若干個互 斥子集，并使能夠同時保證完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連通的連通覆蓋子集的數(shù)目最 大。由于每個連通覆蓋子集中的設(shè)備都足以形成一個新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并承擔目標監(jiān)視 和傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)的任務(wù)，這種設(shè)備控制技術(shù)可以通過令連通覆蓋子集輪換工作從而優(yōu)化無 線傳感器的網(wǎng)絡(luò)壽命。由于必須同時考慮覆蓋和連通約束，最大化互斥連通覆蓋子集的數(shù)目是一個十分 困難的問題。實際上，它的子問題最大化滿足覆蓋約束的子集數(shù)目，已是一個非確定多項 式時間難(NP難)問題。目前學(xué)界已提出不少方法解決這一子問題。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信半 徑大于或等于其感應(yīng)半徑的兩倍的前提下，這些方法所找到的全覆蓋子集能同時滿足覆蓋 監(jiān)測目標和形成連通網(wǎng)絡(luò)的約束。但是在前提不成立的情況下，這些方法無法保證無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的連通性，它們在實際應(yīng)用中的魯棒性因此受到了限制。目前僅有少數(shù)方法能夠 無需前提實現(xiàn)對連通覆蓋子集數(shù)目的優(yōu)化，但這些方法都集中于處理由同類設(shè)備構(gòu)成的同 構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在由不同類型的設(shè)備構(gòu)成的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，此項研究尚屬空 白。與同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠提供更多類型的功能并形成更 高級的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，因此也更能適應(yīng)各種復(fù)雜應(yīng)用的要求。隨著異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng) 域中的應(yīng)用越來越廣泛，對具有強魯棒性的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制技術(shù)的需求越來越迫 切。目前常用的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型通常包含兩種類型的設(shè)備具有感應(yīng)功能和 短距離無線通信功能的傳感器及具有長距離無線通信功能和路由功能的數(shù)據(jù)結(jié)點。傳感器 感應(yīng)其周圍的環(huán)境并把感應(yīng)結(jié)果傳送到其通信距離內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)點。數(shù)據(jù)結(jié)點收集感應(yīng)結(jié)果 后，將經(jīng)過處理的信息經(jīng)由數(shù)據(jù)結(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶終端。為保證這一異構(gòu)無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需滿足以下三個約束(1)覆蓋約束傳感器對監(jiān)測目 標(點或區(qū)域)形成全覆蓋；(2)數(shù)據(jù)收集約束為保證所有傳感器的感應(yīng)結(jié)果都被反映給用戶終端，集合中每個傳感器必須能將其感應(yīng)結(jié)果傳送到至少一個數(shù)據(jù)結(jié)點；(3)路由約 束數(shù)據(jù)結(jié)點能夠形成連通網(wǎng)絡(luò)，從而保證任何一個數(shù)據(jù)結(jié)點都能將通過單跳或多跳將信 息傳送給用戶終端。本發(fā)明提出的基于蟻群搜索算法的壽命優(yōu)化技術(shù)通過最大化異構(gòu)無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中滿足以上三種約束的設(shè)備子集數(shù)目，達到在完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連 通性的前提下最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的目標。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有方法魯棒性差和無法應(yīng)用于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，本發(fā)明基 于蟻群搜索算法提出了一種零前提的，能同時保證完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連通性 的，并能同時適用于點覆蓋和區(qū)域覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化技術(shù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是(1)將自適應(yīng)的解構(gòu)造圖構(gòu)建方法引入到蟻群搜索算法中。在本發(fā)明提出的蟻 群搜索算法中，解構(gòu)造圖的每個頂點 表示將設(shè)備j劃分到集合Si中，i = 1，2，. . .，Nt, j e SE U Si，其中Nt表示算法第t代中子集的總數(shù)，SE和SI分別表示傳感器集合和數(shù)據(jù) 結(jié)點集合。自適應(yīng)的解構(gòu)造圖構(gòu)建方法將Nt設(shè)為1+Cbs，Cbs表示歷史最優(yōu)解中連通覆蓋子 集的數(shù)目。這樣，隨著算法找到含有更多連通覆蓋子集的解，子集的總數(shù)也隨之增加，驅(qū)動 算法進一步優(yōu)化設(shè)備的劃分策略從而形成更多同時滿足覆蓋與連通約束的子集。這種自適 應(yīng)的解構(gòu)造圖構(gòu)建方法能夠防止預(yù)先設(shè)立過多的子集，有效地避免了由于子集數(shù)目太多， 設(shè)備被過度分散而造成的優(yōu)化困難。另一方面，這種自適應(yīng)構(gòu)建方法使算法總是集中于尋 找比歷史最優(yōu)解多一個連通覆蓋子集的更好解，從而引導(dǎo)算法循序漸近地搜索更多的連通 覆蓋子集，提高了算法的優(yōu)化效率。(2)設(shè)計了一套解構(gòu)造規(guī)則使蟻群搜索算法中的螞蟻能夠基于搜索的歷史信息和 領(lǐng)域知識高效地從解構(gòu)造圖中構(gòu)造出問題的一個合法解。這一規(guī)則規(guī)定每只螞蟻必須從解 構(gòu)造圖中的每一列中選擇一個且僅一個結(jié)點，表示網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備被劃分到一個且僅一 個子集。因此，一只螞蟻的訪問路徑實際代表了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備的一個劃分 策略，即問題的一個合法解。蟻群搜索算法利用信息素和啟發(fā)式信息共同引導(dǎo)螞蟻的解構(gòu)造行為。本發(fā)明提出 利用信息素記錄兩個設(shè)備隸屬同一子集的歷史信息。在已得到的解中，兩個設(shè)備J和K被 劃分到同一子集且該子集是連通覆蓋集的情況越多，兩個設(shè)備間的信息素的濃度越大。因 此通過計算未分配設(shè)備與某一子集中已存在設(shè)備的信息素的平均濃度，可以基于已進行搜 索的經(jīng)驗評估將該設(shè)備劃分到這一子集的傾向。另一方面，本發(fā)明利用未分配設(shè)備對集合 違反約束情況的改善程度作為啟發(fā)式信息。例如，將一個未分配的傳感器J劃分到集合Si 的啟發(fā)式信息Hi(J)取決于J進入Si后SiW覆蓋率的提高程度，Je SE，i = 1，2，...， Nt。而將一個未分配的數(shù)據(jù)結(jié)點K劃分到集合Si的啟發(fā)式信息Jii(K)取決于K進入Si后 Si滿足數(shù)據(jù)收集約束的程度提高了多少，K e Si，i = 1，2，...，Nt。這種啟發(fā)式信息能夠 根據(jù)各個子集對某一未分配設(shè)備的需求程度來對該設(shè)備進行劃分。C3)提出了一種基于冗余設(shè)備調(diào)度的局部搜索方法。一個子集內(nèi)的冗余設(shè)備可以 被移出該子集而不影響該子集對約束的滿足程度。例如，移除某一子集的冗余傳感器，該子 集對監(jiān)測目標的覆蓋率不會降低；移除某一子集的冗余數(shù)據(jù)結(jié)點，該子集仍能夠保證收集所屬傳感器的所有感應(yīng)結(jié)果并保持網(wǎng)絡(luò)的連通性。本發(fā)明提出的局部搜索方法針對冗余傳 感器和冗余數(shù)據(jù)結(jié)點的特點分別設(shè)計了調(diào)度模塊。一個模塊對所有集合中的冗余傳感器進 行調(diào)度，以求形成更多完全覆蓋監(jiān)測目標的子集。另一個模塊對連通覆蓋集中的冗余數(shù)據(jù) 結(jié)點進行調(diào)度，以求形成更多滿足數(shù)據(jù)收集約束和路由約束的子集。結(jié)合這一局部搜索方 法有助于進一步提高網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)化效率。本發(fā)明的有益效果是引入自適應(yīng)地解構(gòu)造圖的構(gòu)建方法，根據(jù)當前的搜索結(jié)果 循序漸進地尋找更多滿足覆蓋和連通約束的設(shè)備子集。一方面避免了由于預(yù)先設(shè)立過多子 集而造成的優(yōu)化困難，另一方面也為進一步搜索提供了指引，提高了優(yōu)化效率。同時提出一 種新的局部搜索方法，通過調(diào)度各個子集中的冗余設(shè)備進一步形成更多滿足覆蓋與連通約 束的設(shè)備子集。實際測試表明，本發(fā)明提出的技術(shù)能夠可靠高效地優(yōu)化具有不同特征的異 構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。


圖1滿足覆蓋約束、數(shù)據(jù)收集接受約束及路由約束的連通覆蓋設(shè)備子集示意圖(rs 表示傳感器的最大感應(yīng)距離，rt和艮分別表示傳感器和數(shù)據(jù)結(jié)點的最大無線通信距離，rt <Rt)圖2基于蟻群搜索算法的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)的整體流程3本發(fā)明提出的蟻群搜索算法的解構(gòu)造圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法作進一步的描述。圖1給出了一個同時滿足覆蓋約束、數(shù)據(jù)收集約束以及路由約束的連通覆蓋設(shè)備 子集的例子。本發(fā)明提出的壽命優(yōu)化技術(shù)就是通過從異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中找到盡可能多 的連通覆蓋子集，從而在保證完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的壽 命。圖3給出了本發(fā)明提出的優(yōu)化技術(shù)的整體流程圖。下面按該流程圖分步說明本發(fā) 明的具體實施辦法。1、初始化初始化階段設(shè)置各個控制參數(shù)，同時估計異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中連通覆蓋子集數(shù)目的 上限C并利用這個上限定義信息素的初始值τ。。2、螞蟻構(gòu)造解每只螞蟻a在解構(gòu)造圖上搜索并構(gòu)造出一個解S(a)，這個解對應(yīng)于設(shè)備到現(xiàn)有子 集的一個劃分策略，a = 1，2，. . .，m，m為螞蟻總數(shù)。設(shè)異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中含有5個傳 感器(|SE| =5)和3個數(shù)據(jù)結(jié)點(|SI| =3)，圖3給出了在子集總數(shù)為5時(Nt = 5)的 解構(gòu)造圖。螞蟻從解構(gòu)造圖的每一列中選取一個且僅一個結(jié)點，表示網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備被 劃分到一個且僅一個子集。螞蟻的訪問路徑代表了問題的一個合法解。例如，圖3中螞蟻 的路徑對應(yīng)于一個包含5個子集的劃分策略S = (S1, S2, ... , ，其中子集S1包含傳感器 SE1和SE5,子集&包含傳感器和數(shù)據(jù)結(jié)點SI2,子集&包含傳感器和數(shù)據(jù)結(jié)點SI1, 子集、包含傳感器和數(shù)據(jù)結(jié)點SI3,子集&為空，不包含任何設(shè)備。
信息素和啟發(fā)式信息共同指導(dǎo)螞蟻的解構(gòu)造行為。本發(fā)明提出利用信息素記錄兩 個設(shè)備隸屬同一子集的歷史信息。兩個設(shè)備J和K被劃分到同一子集且該子集是連通覆蓋 集的情況在已進行的搜索中出現(xiàn)的次數(shù)越多，兩個設(shè)備間的信息素P (J，K)的濃度越大， J興K，J，Ke SE U Si。因此可以通過計算未分配設(shè)備J與某一集合Si中已存在設(shè)備的信 息素的平均濃度Ti (J)估計將J劃分到Si的傾向，J e SE U Si，i = 1，2，...，Nt。
T1(J)
Ι^Σ^,^η 如果·⑴
/。，否則另一方面，本發(fā)明利用未分配設(shè)備對現(xiàn)存子集違反約束情況的改善程度作為啟發(fā) 式信息。例如，將一個未分配的傳感器劃分到子集Si的啟發(fā)式信息取決于將其劃分到Si后 Si的覆蓋率K i的提高程度。而將一個未分配的數(shù)據(jù)結(jié)點劃分到集合Si的啟發(fā)式信息取 決于將其劃分到Si后Si滿足數(shù)據(jù)收集約束的程度Xi提高了多少。以K ‘
別表示未分配設(shè)備J進入Si后的覆蓋率與數(shù)據(jù)收集約束的滿足程度，J e SE U SI,i = 1， 2，...，Nt，那么啟發(fā)式信息可表示為
如果J是傳感器 U'-Z,如果j是數(shù)據(jù)結(jié)點(}
權(quán)利要求
1. 一種基于蟻群搜索算法的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)，其特征是基于自適 應(yīng)構(gòu)建的解構(gòu)造圖，通過蟻群搜索算法的解構(gòu)造行為循序漸進地將不同類型的設(shè)備劃分為 盡可能多的同時保證完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連通性的子集，從而優(yōu)化異構(gòu)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的壽命，具體包括以下步驟和操作(1)初始化設(shè)置優(yōu)化技術(shù)涉及的各個控制參數(shù)，估計異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中連通覆蓋子 集數(shù)目的上限 并利用這個上限定義信息素的初始值τ Q ；(2)解構(gòu)造首先，根據(jù)當前的搜索結(jié)果自適應(yīng)地構(gòu)建解構(gòu)造圖，解構(gòu)造圖的每個頂點 Vij表示將設(shè)備j分配到子集Si中，i = 1,2,... ,Nt, j e SE U Si，其中Nt表示算法第t代 的子集總數(shù)，SE和SI分別表示傳感器集合和數(shù)據(jù)結(jié)點集合；Nt設(shè)置為1+Cbs，Cbs表示歷史 最優(yōu)解中連通覆蓋子集的數(shù)目，隨著算法找到含有更多連通覆蓋子集的解，解構(gòu)造圖的子 集總數(shù)也隨之增加，驅(qū)動算法尋找更多同時滿足覆蓋與連通約束的子集；基于上述自適應(yīng) 構(gòu)建的解構(gòu)造圖，螞蟻遵循一套專門設(shè)計的解構(gòu)造規(guī)則高效地構(gòu)造問題的一個合法解，這 套規(guī)則規(guī)定每只螞蟻必須從解構(gòu)造圖的每一列中選擇一個且僅一個頂點，即無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的每個設(shè)備被劃分到一個且僅一個子集；同時，這套規(guī)則利用信息素記錄兩個設(shè)備隸屬 同一子集的歷史信息，兩個設(shè)備被分配到同一子集且該子集是連通覆蓋集的情況越多，兩 個設(shè)備間的信息素濃度越大，通過計算未分配設(shè)備與某一集合中已存在設(shè)備的信息素的平 均濃度，可以估計將該設(shè)備劃分到這一子集的傾向；另一方面，這套規(guī)則將未分配設(shè)備對集 合違反約束情況的改善程度作為啟發(fā)式信息，從而使設(shè)備傾向于被劃分到對其需求最大的 子集；(3)評價解綜合考慮解的各個子集對覆蓋約束、數(shù)據(jù)收集約束和路由約束的滿足程 度，采用以下評價函數(shù)對解的質(zhì)量進行評估Φ⑵)=+ χι + Ai)/3 + ^2C其中，常數(shù)CO1 > 0，ω2 > ο是兩個預(yù)先設(shè)定的權(quán)值，K i，χ i和λ i分別表示解S的第 i個子集Sjf三個約束的滿足程度的量化標準，i = 1，2，...，N，N是子集總數(shù)，C則是連通 覆蓋子集的個數(shù)；(4)局部信息素更新在每只螞蟻構(gòu)建完一個解后，局部信息素更新將解中存在于同 一子集的任意兩個設(shè)備J、K間的信息素更新為τ (J，K) = (I-P) · τ (J，K) + P · τ0其中，ρ e (0,1)是信息素局部更新規(guī)則中的蒸發(fā)率；局部信息素更新可以降低曾被 劃分到同一子集的兩個設(shè)備間的信息素濃度，為后續(xù)的優(yōu)化過程提供更多選擇其它設(shè)備組 合的機會；(5)局部搜索當所有螞蟻完成解構(gòu)造后，在歷史最優(yōu)解上執(zhí)行基于冗余設(shè)備調(diào)度的 局部搜索，從而進一步提高解的質(zhì)量，形成更多連通覆蓋子集；(6)全局信息素更新為了保留連通覆蓋子集的結(jié)構(gòu)特征，全局信息素更新將歷史最 優(yōu)解Sbs的連通覆蓋集中任意兩個設(shè)備J，K間的信息素增強為τ (J，K) = (1-ξ) · τ ，Κ) + ξ · Δ τ其中，ξ e (0,1)是全局信息素更新中的蒸發(fā)率，Δ提根據(jù)Sbs的評價函數(shù)值計算的 信息素增量，這樣將可以吸引更多螞蟻至全局最優(yōu)解的周圍進行搜索；蟻群搜索算法執(zhí)行完全局信息素更新后完成一次迭代，此時如停止條件已被滿足，則 終止整個算法并得到最終解，否則返回第2步繼續(xù)優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蟻群搜索算法的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)，其特征 是引入了自適應(yīng)的解構(gòu)造圖構(gòu)建方法，隨著解質(zhì)量的提高，解構(gòu)造圖中的子集總數(shù)也隨之 增加，驅(qū)動設(shè)備的劃分策略進一步優(yōu)化，從而形成更多的連通覆蓋子集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蟻群搜索算法的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)，其特征 是利用了信息素記錄設(shè)備子集結(jié)構(gòu)的歷史信息，利用啟發(fā)式信息反映子集對某一設(shè)備需 求程度，結(jié)合兩者共同弓I導(dǎo)解構(gòu)造行為，從而加速了優(yōu)化過程。
4.根據(jù)權(quán)得要求1所述的基于蟻群搜索算法的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)，其特征 是結(jié)合了基于冗余設(shè)備調(diào)度的局部搜索，針對冗余傳感器和冗余數(shù)據(jù)結(jié)點的不同特點分 別設(shè)計了調(diào)度模塊，以求能通過調(diào)度子集中的冗余設(shè)備形成更多連通覆蓋子集。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于蟻群搜索算法的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)同時考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須完全覆蓋監(jiān)測目標和保持網(wǎng)絡(luò)連通性的兩個約束，通過把網(wǎng)絡(luò)中不同類型的設(shè)備劃分為盡可能多的同時滿足覆蓋和連通約束的子集來優(yōu)化異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。該技術(shù)根據(jù)蟻群搜索算法上一代的搜索結(jié)果自適應(yīng)地構(gòu)建解構(gòu)造圖。每只螞蟻在信息素和啟發(fā)式信息的引導(dǎo)下基于解構(gòu)造圖構(gòu)建一種設(shè)備劃分策略。引入自適應(yīng)的解構(gòu)造圖構(gòu)建方法避免了由于預(yù)先設(shè)立過多子集而引起的優(yōu)化困難，同時也為進一步的優(yōu)化提供了指引。信息素記錄了子集結(jié)構(gòu)的歷史信息，啟發(fā)式信息反映了子集對某一設(shè)備的需求程度，這二者結(jié)合能指導(dǎo)螞蟻高效地建立高質(zhì)量的解。本技術(shù)還引入了一種基于冗余設(shè)備調(diào)度的局部搜索算法，進一步提高了該技術(shù)的優(yōu)化效率。
文檔編號H04W24/02GK102065444SQ20101056685
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者周琦, 張軍, 林盈 申請人:中山大學(xué)