[發明專利]一種基于遺傳算法的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法

有效

• 申請號: 202010030325.X
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111246416B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 楊光;戴禮娥;毛玉明
• 申請（專利權）人: 山東交通學院
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W40/32;H04W40/24;H04W84/18;H04L45/00;G06N3/12
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 褚慶森

1.一種基于遺傳算法的水下無線傳感器網絡拓撲控制方法，其特征在于，通過以下步驟來實現：

a).構建水下網絡模型，設n個水下節點均勻分布于L×L二維水下環境，節點n_i∈N，節點集n個節點被均勻分成k個簇，則每個簇內有n/k個節點，其中含1個簇首和n/k-1個成員節點；節點間為單跳距離，均可直接通信，各節點位置已知且固定，計算出各節點與水下匯聚節點間的距離為D(i)_R→B，以及節點與水下匯聚節點的平均距離；

b).建立成員節點、簇首節點能量模型及能量參數，根據成員節點的發送能耗、接收能耗建立成員節點的能量模型，根據簇首節點的匯聚能量和通信能量建立簇首節點的能量模型；建立包含剩余能量、能量門限、初始能量在內的節點能量參數；

c).計算最優簇首數量，根據部署區域長度L、節點到水下匯聚節點的距離計算出最優的簇首數量；

d).采用遺傳算法確定最優簇首，包括如下步驟：

d-1).染色體編碼，選用二進制編碼，采用二值符號集{0,1}對節點進行染色體編碼，當基因位前兩位為00時代表該節點為水下匯聚節點，當基因位前兩位為01時代表該節點為某個簇的成員節點，當基因位前兩位為10時代表該節點被選作簇首節點，當基因位為11時代表該節點已經失效；

d-2).選取初始種群，將剩余能量和節點與水下匯聚節點間距離的加權值S(i)作為選取依據，選取加權值S(i)高壓閾值T的節點作為初始種群；

d-3).構造適應度函數，適應度函數決定了當前種群遺傳到下一代群體中的概率，采用能量和距離作為評估參數，構造適應度函數F(i)；

d-4).構造包含選擇算子、交叉算子、變異算子在內的遺傳算子，選擇算子用于選取較優個體遺傳到下一代，采用基于排序和輪盤賭選擇算子，從初始種群中選取較優的個體并存儲；交叉算子根據交叉概率P_C產生出兩個新的個體，交叉概率P_C根據適應度F(i)進行自適應調整；變異算子根據變異概率P_M獲得新的子代個體，變異概率P_M根據適應度F(i)進行自適應調整；

d-5).計算個體適應度值，計算新種群中的個體適應度值，若新個體適應度大于當前個體的目標值，則將新個體作為種群下一代進化的目標，否則保持當前目標不變；

d-6).選擇最優簇首，重復執行步驟d-4)至步驟d-5)，如果達到最大進化代數，輸出當前的最優個體，即為下一任簇首的候選節點；

e).自組成簇和進行數據通信，遺傳算法完成簇首的選擇后，最優個體被選做簇首，其余節點根據預設規則自組加入簇，進行數據通信；

步驟b)所述的成員節點、簇首節點能量模型及能量參數的建立通過以下方法來實現：

b-1).成員節點能量模型的建立，為滿足到達接收節點的信號功率為P₀，則距離接收節點為d的發送節點的發送能量E_S需要滿足：

上式中A(d)為水聲信號功率衰減系數，采用球形擴散模型，a(f)為水下環境吸收系數：

上式中為f載波頻率，單位為kHz；

節點的發送能耗為：

E_t＝l×(E_e+E_s) (4)

節點的接收能耗為：

E_r＝l×E_e (5)

其中，l為數據包的長度，單位bit，E_e為驅使電路發送或接收每bit信號所需的能量，單位nJ/bit；E_s為發送端所需能量，該能量需要滿足接收端解調器的要求，則完成一次長度為l的數據包傳輸所需能量為：

E_T＝E_t+E_r＝l×(2E_e+E_s) (6)

b-2).簇首節點能量模型的建立，簇首負責對簇內數據進行匯聚和處理，并發送給水下匯聚節點，因此，簇首能量模型包括匯聚能量模型和通信能量模型：

對于包含p個節點的簇而言，由p-1個成員節點和1個簇首構成，設數據包長度為l，則每個通信周期中，接收和匯聚能量為：

E_A(ch)＝(p-1)×l×E_A+(p-1)E_r＝(p-1)×l×(E_A+E_e) (7)

上式中，E_A為簇首融合單位bit數據所消耗的能量；

簇首通信能量模型為：

E_T(ch)＝E_t(ch)＝l×(E_e+E_s) (8)

則簇首節點的總能量為：

E(ch)＝E_A(ch)+E_T(ch) (9)

b-3).能量參數的建立，E(i)_re為節點i的剩余能量，E_th為預設的能量門限，E_in為初始能量，E(ave)為網絡的平均剩余能量：

步驟c)所述的計算最優簇首數量通過如下公式進行計算：

上式中，L為部署區域長度，單位m；ε_fs為單位放大功率，ε_amp為多徑衰落模型的單位放大功率。