[發明專利]一種基于虛擬力和螢火蟲算法的無線傳感網絡覆蓋優化方法

有效

• 申請號: 201610200522.5
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN107295541B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 王進;曹溢泉;季歡;李云;李斌
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W84/18
• 代理公司: 32203 南京理工大學專利中心
• 代理人: 孟睿

1.一種基于虛擬力和螢火蟲算法的無線傳感網絡覆蓋優化方法，其特征在于，首先，以無線傳感網絡中的傳感器節點的利用率和網絡有效覆蓋率作為優化目標，建立相應的數學模型；然后，根據傳感器節點之間的虛擬力合力進行傳感器節點的初始布局；最后，通過螢火蟲算法對傳感器節點進行自適應動態部署；

所述數學模型包括傳感器節點感知概率模型、傳感器節點的區域覆蓋率和覆蓋優化問題中的適應度函數；

所述感知概率模型如下式所示；

其中，P(c_i,g)為第i個傳感器節點c_i對目標g的感知概率，為傳感器節點c_i與目標g之間的距離，r為傳感器節點c_i所能夠覆蓋范圍的半徑，r_e為傳感器節點c_i感知的不確定性誤差量度，且r_e≤r，α的值通常取λ和β分別是感知范圍為r-r_e和r+r_e時的感知質量衰減系數，σ為各種干擾，是一個服從正態分布的隨機數；

所述傳感器節點的區域覆蓋率R(C)如下式所示：

其中，n為布置在監測區域內的無線傳感器節點個數，i≤n；C為無線傳感器節點集合，且C＝{c₁,c₂,…,c_n}，c_i＝{x_i,x_j,r}，表示傳感器節點c_i以坐標{x_i,x_j}為圓心，覆蓋范圍半徑為r的圓；假設監測區域被數字離散化成m×n個像素點，m，n代表像素點個數，每個像素點的面積大小為Δx×Δy，用傳感器節點集合的覆蓋率p(x,y,c_i)來表示每個像素點是否被無線傳感器網絡節點覆蓋；

所述覆蓋優化問題中的適應度函數如下所示；

F(x)＝ω₁×f₁(x)+ω₂×(1-f₂(x))

其中，f₁(x)表示無線傳感器節點利用率，f₂(x)表示無線傳感網絡覆蓋率，即f₂(x)＝R(C)，|c|為無線傳感網絡中部署的傳感器節點總數，|c_i|為處于工作狀態的傳感器節點數,ω₁+ω₂＝1,ω₁,ω₂分別為對應函數的權重，取值取決于對網絡綜合性能的要求。

2.如權利要求1所述無線傳感網絡覆蓋優化方法，其特征在于，根據傳感器節點之間的虛擬力合力進行傳感器節點的初始布局的方法為：

2.1計算兩個傳感器節點之間的虛擬力F_ij，計算方法如下式所示，

其中，a_ij為其中一個傳感器節點s_i到另一個傳感器節點s_j的矢量角度；d_ij表示其中一個傳感器節點s_i到另一個傳感器節點s_j的距離，d_th為調整傳感器節點間相互作用力屬性的距離閾值；c是距離的臨界值，c設為2倍的d_th；ω_a和ω_r分別表示引力系數和斥力系數，作為調節虛擬力調節節點疏密的依據；

2.2計算出傳感器節點受到的合力F_i，計算方法如下式所示，

其中，F_o為障礙物對傳感器節點s_i的作用力，F_r為熱點區域對傳感器節點s_i的作用力；

2.3更新傳感器節點的位置，位置更新方法如下所示：

其中，(x_old,y_old)為更新前的位置，(x_new,y_new)為更新后的位置，F_ix和F_iy分別為虛擬力合力F_i的x軸分量和y軸分量，Maxstep為進行感知的傳感器節點的最大可移動距離。

3.如權利要求2所述無線傳感網絡覆蓋優化方法，其特征在于，通過螢火蟲算法對傳感器節點進行自適應動態部署的方法為：

3.1將每個傳感器節點看成一個螢火蟲，形成螢火蟲群，賦予拋灑節點中每個傳感器節點相同的熒光素濃度；

3.2更新傳感器節點熒光素濃度；

3.3傳感器節點根據移動概率向比自己熒光素濃度高的相鄰節點方向移動；

3.4更新傳感器節點移動后的位置；

3.5更新螢火蟲相鄰決策域半徑。