[發(fā)明專利]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗覆蓋優(yōu)化算法

有效

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• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN103118373A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何遵文;陳存香;劉陽;匡鏡明
• 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11282
• 代理人: 楊樹芬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗覆蓋優(yōu)化算法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型無線傳感器節(jié)點組成的無線、多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)，其作用是協(xié)同地感知、處理監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并將感知數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點，被廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療、物流、反恐、危險區(qū)域遠程監(jiān)控、重點區(qū)域防護等諸多領(lǐng)域。

供電問題是目前制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個主要瓶頸。其系統(tǒng)設(shè)計必須遵循節(jié)能原則，以提高能量使用效率，延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。在保證網(wǎng)絡(luò)低能耗的前提下，同時要滿足網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點對物理世界的感知能力，即達到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋的有效性。因此將低能耗和網(wǎng)絡(luò)覆蓋結(jié)合考慮將更加有效地提高網(wǎng)絡(luò)感知質(zhì)量，對促進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

在大規(guī)模危險環(huán)境的應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都是隨機部署的。在傳感器隨機部署的情況下，為保證感知數(shù)據(jù)能順利傳遞，一般采用層次路由協(xié)議，即分簇路由協(xié)議。分簇路由協(xié)議最基本的問題就是骨干節(jié)點的選擇及分布問題。經(jīng)典的層次路由協(xié)議主要有LEACH協(xié)議、HEED協(xié)議、SEP協(xié)議、MARQ協(xié)議等等。LEACH協(xié)議采用分布式自舉成簇算法和骨干節(jié)點輪換機制，解決骨干節(jié)點能耗過分集中的問題。但是依然存在一些問題：骨干節(jié)點選舉的隨機性可能會導致骨干節(jié)點在同一區(qū)域過于密集或太靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣，骨干節(jié)點個數(shù)很難達到最優(yōu)值，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力無法得到有效保證等等。HEED協(xié)議通過對節(jié)點剩余能量和簇內(nèi)通信能耗的評估迭代成簇。但是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下難以充分利用能量異構(gòu)特點，且某變量的取值對收斂速度及簇分布的均衡性有直接影響。SEP協(xié)議是針對兩級能量異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，采用能量因子加權(quán)的方法，對網(wǎng)絡(luò)中兩類節(jié)點的骨干節(jié)點自舉門限進行了優(yōu)化，使高級節(jié)點有更大的成為骨干節(jié)點的概率，延長了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。但缺點是該協(xié)議僅適用于兩級能量異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。MARQ協(xié)議則采用松散的耦合體系，引入了聯(lián)絡(luò)節(jié)點的概念，在發(fā)起查詢信息的源節(jié)點和提供信息的目的節(jié)點之間建立一條優(yōu)化路徑。

雖然上述這些協(xié)議能一定程度上改善層次路由協(xié)議，但是這些協(xié)議都面臨一個相同的核心問題，就是骨干節(jié)點選取的問題。骨干節(jié)點選取的合理性直接影響到網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，進而影響到網(wǎng)絡(luò)的生命周期和網(wǎng)絡(luò)感知質(zhì)量的可靠性，因此，這是一個急待解決的現(xiàn)實技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首選舉算法中的網(wǎng)絡(luò)能耗以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面的不足之處，針對在保證網(wǎng)絡(luò)低能耗的前提下提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗覆蓋優(yōu)化算法。本發(fā)明的核心是在輪次簇低能耗的前提下結(jié)合節(jié)點覆蓋最優(yōu)模型獲得最優(yōu)骨干節(jié)點數(shù)目以及鄰居節(jié)點選取原則，根據(jù)PSO改進算法迭代運算，獲得骨干節(jié)點最優(yōu)部署方案。

本發(fā)明提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗覆蓋優(yōu)化算法，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(jié)點數(shù)目優(yōu)化算法：

11)普通節(jié)點的能耗來自于感知數(shù)據(jù)的發(fā)送能量，骨干節(jié)點的能耗主要來自于接收感知數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點的能耗，因此普通節(jié)點的能耗為：骨干節(jié)點的能耗為：ECH=lEelec(N/k-1)+lEDAN/k+lEelec+lϵdtoSinkα,]]>則某輪簇內(nèi)的能耗為：