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(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)實(shí)時(shí)狀況，使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)為代價(jià)；通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)布局優(yōu)化，如果節(jié)點(diǎn)位置調(diào)整后依然存在較多的感知重疊區(qū)域，仍然會(huì)產(chǎn)生不必要的能耗；對(duì)于隨機(jī)部署的固定節(jié)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的感知距離達(dá)到節(jié)能覆蓋，但如果節(jié)點(diǎn)分布不均勻，將會(huì)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)實(shí)時(shí)狀況，使節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(dòng)態(tài)地實(shí)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(diǎn)的出現(xiàn)，基于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)感知距離，使得網(wǎng)絡(luò)在滿足覆蓋要求的同時(shí)降低能耗。本發(fā)明針對(duì)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)覆蓋、能耗平衡的動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)I結(jié)果的示意2是仿真實(shí)驗(yàn)2結(jié)果示意3是仿真實(shí)驗(yàn)3結(jié)果示意4是三種優(yōu)化方法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖具體實(shí)施例方式下面就本策略的具體實(shí)施過程及通過附圖和具體仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dòng)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(diǎn)位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知半徑ri(i=,..,N)=r,rGR，且為一個(gè)固定值，計(jì)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(gè)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(píng)價(jià)方法計(jì)算各粒子適應(yīng)值。4)將各粒子的當(dāng)前適應(yīng)值和個(gè)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(gè)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(yùn)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(jì)。在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布動(dòng)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(diǎn)已根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化完成位置遷移，每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知半徑的調(diào)整范圍為O-Hr為網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)布局優(yōu)化中設(shè)置的一個(gè)固定值)，最大速度限額Vmm=0.IXr,當(dāng)vi&>Vmm,令vi&=Vmaxr；當(dāng)Vitt<Vmaxr時(shí)，則令Vit=-VmaxrO當(dāng)粒子離開搜索空間時(shí),假如Xit>T,設(shè)Xit=r，假如Xitt<r，則設(shè)xi&=O?；诹Ｗ尤核惴ǖ臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化算法設(shè)計(jì)如下I)初始化傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)感知距離可調(diào)范圍R為0r。2)計(jì)算經(jīng)動(dòng)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(gè)體最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，這兩個(gè)值均為經(jīng)動(dòng)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(píng)價(jià)方法計(jì)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(gè)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(gè)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(yùn)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(shí)驗(yàn)。假設(shè)在邊長為20m的正方形監(jiān)測區(qū)域中部署N個(gè)感知距離可調(diào)的移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，感知距離的調(diào)節(jié)范圍R為0r(設(shè)r=5),每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知半徑!TiGR，當(dāng)=0時(shí),節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)I。Sn=20,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)感知距離。優(yōu)化后監(jiān)測區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)的布局情況如圖1(b)所示，節(jié)點(diǎn)較為均勻地分布在監(jiān)測區(qū)域中，其中有8個(gè)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，其他12個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)2。設(shè)N=25,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的布局情況如圖2(b)所示，共有14個(gè)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)比實(shí)驗(yàn)I增加了6個(gè)，11個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)3。設(shè)N=30,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的布局情況如圖3(b)所示，共有18個(gè)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)比實(shí)驗(yàn)2又增加了4個(gè)，12個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(dòng)態(tài)布局優(yōu)化，通過調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)感知距離調(diào)節(jié)的節(jié)能覆蓋優(yōu)化思想，對(duì)于隨機(jī)部署的固定節(jié)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)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(gè)感知距離可調(diào)的移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)同4.1，當(dāng)N=20、N=25、N=30時(shí)，分別采用上述三種優(yōu)化方法進(jìn)行20次獨(dú)立優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)數(shù)較少(N=20)時(shí)，方法3中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)增加(N=25,N=30)，在區(qū)域覆蓋率要求較低時(shí)，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(shí)，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(diǎn)提供一種預(yù)激活機(jī)制，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)感知半徑r,通信范圍C,傳感器節(jié)點(diǎn)表示為K{k1;k2,···,kN}設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)h的距離為2.在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布動(dòng)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(diǎn)已根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化完成位置遷移，每個(gè)節(jié)點(diǎn)感知半徑的調(diào)整范圍為O-Hr為網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)布局優(yōu)化中設(shè)置的一個(gè)固定值)，最大速度限額Vmm=0.IXr,當(dāng)vidr>Vmm,令vidr=Vmaxr；當(dāng)Vidr<Vmaxr時(shí)，則令Vidr=。當(dāng)粒子離開搜索空間時(shí),假如Xi&>T,設(shè)Xi&=T,假如Xit<r,則設(shè)Xi&=O?；诹Ｗ尤核惴ǖ臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能耗平衡優(yōu)化算法設(shè)計(jì)如下步驟一初始化傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)感知距離可調(diào)范圍R為0r。步驟二計(jì)算經(jīng)動(dòng)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(gè)體最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，這兩個(gè)值均為經(jīng)動(dòng)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(píng)價(jià)方法計(jì)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(gè)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(gè)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(yùn)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(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)布局進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上通過合理調(diào)整節(jié)點(diǎn)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(hào)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