[發明專利]基于粒子群算法的無線光纖傳感器網絡部署方法

有效

• 申請號: 201210059405.3
• 申請日: 2012-03-08
• 公開（公告）號: CN102625324A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 王廷云;朱姍
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W24/02;H04W84/18
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明述及一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網絡部署方法，屬于無線傳感器網絡技術和智能計算技術領域。

背景技術

無線光纖傳感器網絡由大量部署的光纖傳感器節點組成，協作地傳感、采集、處理監測區域的信息，并以無線多跳的方式傳輸給控制中心。無線光纖傳感器網絡融合了光纖傳感器抗電磁干擾、防燃防爆等優點，和無線組網靈活、擴展性強、成本低、分布式計算等優點，適用于普通傳感器不能勝任的易燃易爆、強腐蝕性、高電磁干擾等高危環境，具有非常重要的理論和實踐意義。但是，由于光纖傳感器具有光源昂貴、能耗大等缺點，如何延長網絡壽命，同時降低網絡成本是急需要解決的問題。

近年來，國內外學者針對無線傳感器網絡的壽命和成本問題，從節點軟硬件設計、無線傳輸技術、協議、拓撲結構、節點部署等方面提出了很多解決方案。在無線傳感器網絡的具體應用中，當完成了節點的低功耗設計以后，節點部署是首先需要解決的問題，是網絡正常工作的基礎。無線傳感器網絡初期節點部署策略根據監測環境的復雜程度分為兩種：隨機播撒和有計劃地放置。前者用于復雜易變的應用環境，如戰場，后者用于環境已知的應用環境，如溫室。在無線光纖傳感器網絡的一些具體應用中，對于一些環境已知的監測區域，需要監測的熱點是預知的，并不要求對整個區域進行覆蓋，因此只需將光纖傳感器節點固定部署在熱點附近。但是，由于節點通信距離的有限性，傳感器節點間會出現不能通信的情況，導致組成的網絡不連通，從而不能正常工作。如何對節點進行優化部署，既能保證網絡的連通，又能最小化節點能耗和網絡成本，是研究部署的關鍵技術之一。

通常情況下，無線傳感器網絡的部署屬于NP完全問題，多數算法只能找到近似解。近年來，國內外學者提出了很多解決方案，但大多存在算法復雜的缺點，限制了這些方案的推廣和使用。粒子群算法是一種群體智能進化算法，以粒子對解空間中最優粒子的追隨進行解空間的搜索，具有算法簡單易實現、速度快、解質量高、魯棒性好等優點。本發明使用粒子群算法對無線傳感器網絡的部署進行優化，可以根據實際需要部署，既能保證網絡的連通，又能減少節點數目，達到降低網絡成本的目的。

發明內容

本發明的目的在于針對光纖傳感器能耗大、節點成本高等問題，提供一種用于已知監測環境情況的無線光纖傳感器網絡部署方法。

為了達到上述目的，本發明的構思是：首先以最小化光纖傳感器節點的能耗和最小化上層網絡的成本為目標，建立底層網絡部署優化模型，并采用基于離散二進制的多目標粒子群算法對模型進行求解，得到底層網絡部署方案，實現對監測區域的分布式傳感；然后在底層網絡部署方案的基礎上，以最小化上層網絡成本為目標，以上層網絡的全連通為約束，建立上層網絡部署模型，并設計增大粒子差異性的適應函數，采用基于模擬退火的粒子群算法對模型進行求解，得到上層網絡部署方案，實現對傳感數據的多跳傳輸。

根據本發明構想，本發明采用下述技術方案：

一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網絡部署方法，其特征在于采用下述步驟實現：第一，部署由光纖傳感器節點與管理節點組成的底層網絡；第二，部署由管理節點與路由器節點組成的上層網絡；

所述部署由光纖傳感器節點與管理節點組成的底層網絡包括如下步驟：

a）?????根據特定監測環境構建底層網絡的網絡模型；根據Keenan-Motley模型構建節點通信模型；根據一階無線電模型建立底層網絡通信能耗模型；通過聯合優化通信能耗和網絡成本，建立底層網絡部署優化模型；

b）??針對建立的底層網絡部署優化模型，使用基于離散二進制隨機粒子群多目標優化算法進行求解，求得一個非劣解集，根據實際應用情況，從中選取一個解，得到光纖傳感器節點和管理節點的部署情況；

所述部署由管理節點與路由器節點組成的上層網絡包括如下步驟：

）根據底層網絡部署優化模型的求解結果，選出管理節點，構建上層網絡的網絡模型；構建上層網絡成本模型；構建上層網絡連通模型；以上層網絡連通為約束，通過優化上層網絡成本，建立上層網絡部署優化模型；

）針對建立的上層網絡部署優化模型，設計增大粒子間差異性的適應值函數，并使用基于模擬退火的粒子群算法進行求解，使在上層網絡連通的情況下，網絡成本最小。

具體說明如下：

（1）????底層網絡的網絡模型。