[發明專利]一種無線傳感器網絡低能耗覆蓋優化算法

有效

• 申請號: 201310058571.6
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN103118373A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 何遵文;陳存香;劉陽;匡鏡明
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 北京中海智圣知識產權代理有限公司 11282
• 代理人: 楊樹芬

1.本發明提出一種無線傳感器網絡低能耗覆蓋優化算法，其特征在于，包括以下步驟：

1）基于保證輪次簇能耗及覆蓋能力的骨干節點數目優化算法：

11）普通節點的能耗來自于感知數據的發送能量，骨干節點的能耗主要來自于接收感知數據、數據融合處理、數據轉發至匯聚節點的能耗，因此普通節點的能耗為：骨干節點的能耗為：ECH=lEelec(N/k-1)+lEDAN/k+lEelec+lϵdtoSinkα,]]>則某輪簇內的能耗為：

E_C＝E_CH+(N/k-1)E_M，網絡總能耗為Etotal=l(2NEelec+NEDA+kϵdtoSinkα+NϵfsdtoCH2),]]>式中，E_elec為收發電路單位bit數據能耗；ε_fs、ε_mp分別為近距離和遠距離的功率衰減系數；d_toCH為各普通節點到骨干節點距離的均值；E_DA為融合單位bit數據消耗的能量；d_toSink為各骨干節點到匯聚節點距離的均值；d₀為參考距離，一般為

12）假設監測區域邊長為M，簇所占區域為圓形，骨干節點位于簇中心，根據節點覆蓋最優模型，即相鄰任意三個骨干節點成等邊三角形，由此可得到每個簇所占區域的面積近似為節點的分布律為則普通節點到骨干節點距離平方的數學期望值為：

E[dtoCH2]=∫∫(x2+y2)k/M2dxdy=27M2/(2π)2k;]]>

13）根據輪次內網絡總能耗及普通節點到骨干節點距離平方的數學期望值，可獲得能耗最小時骨干節點k的最優值為

kopt=274NM2πdtoSink2ϵfsϵmp,dtoSink≥d02742πdtoSink2,dtoSink<d0,]]>

ε_fs、ε_mp分別為近距離和遠距離的功率衰減系數；d₀為參考距離，一般為

2）用于保證網絡覆蓋均勻性的改進分簇部署算法：

21）覆蓋均勻性反映了傳感器節點在被監測區域的分布情況，根據覆蓋均勻性與節點之間距離的關系，采用改進分簇部署算法來獲取覆蓋均勻性指標，距離標準差值越小，則覆蓋均勻性越高，同時網絡中節點的能量消耗越低，具體如下：

U=1koptΣi=1koptUi]]>

Ui=(1kiΣj=1ki(Di,j-Mi)2)12]]>

式中U為覆蓋均勻性指標，即距離標準差值指標，k_opt為骨干節點總數目，k_i為第i個骨干節點的鄰居節點個數，D_i，j為第i個骨干節點與第j個骨干節點之間的距離，M_i表示第i個骨干節點與鄰居骨干節點距離的平均值；

22）鄰居節點的選取，根據節點覆蓋最優模型以及最優骨干節點數量可得到骨干節點之間的最佳距離為為了保證網絡覆蓋率，選取距離第i個骨干節點為(0,Ropt±2(Rs-Ropt/2)]的節點為該骨干節點的鄰居節點，R_s為骨干節點的感知距離；

3）用于解決骨干節點分布不均，平衡網絡覆蓋率和覆蓋均勻性的改進PSO覆蓋能效優化算法：

31）優化目標是滿足網絡覆蓋率最大化及覆蓋均勻性最大化，即網絡覆蓋率最大化、距離標準差值最小化，由此可得到最小化目標函數為：f(X)＝C^-(1-α)U^α，式中C和U分別為節點集N所對應網絡部署狀態的網絡覆蓋率和網絡覆蓋均勻性指標，α為權重系數，用于調節優化中兩項指標的權重，以適應無線傳感器網絡不同的約束條件；

32）初始化微粒群，根據各個微粒的位置信息，在節點集N中搜索距離各個微粒中骨干節點最近的節點，并作為初始微粒群集X;

33）根據節點覆蓋最優模型，獲得監測區域內理想骨干節點部署信息L，根據下式將骨干節點進行迭代進化

vijk+1=ωvijk+c1r1(pijk-xijk)+c2r2(pgjk-xijk)]]>

xijk+1=xijk+vijk+i,(Vmax⋐[Ropt-2(Rs-Ropt/2),Ropt+2(Rs-Ropt/2)]),]]>

每代進化完畢后獲得具有最小適應度值的骨干節點集位置信息S，在S±2(Rs-Ropt/2)范圍內搜索是否滿足節點集N，若滿足則更新相應骨干節點位置信息，否則設置λ(S±L)為該節點下次迭代的飛行方向。