本發(fā)明的基于遺傳算法的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，包括：a).構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)模型；b).建立成員節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)能量模型及能量參數(shù)；c).計(jì)算最優(yōu)簇首數(shù)量；d).采用遺傳算法確定最優(yōu)簇首，包括：d?1).染色體編碼；d?2).選取初始種群；d?3).構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)；d?4).構(gòu)造選擇算子、交叉算子、變異算子；d?5).計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值；d?6).選擇最優(yōu)簇首；e).自組成簇和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本發(fā)明的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，在簇首選擇階段使用遺傳算法，能夠解決多目標(biāo)優(yōu)化問題，能夠有效均衡能量和距離因素，能夠有效均衡各節(jié)點(diǎn)能量消耗，降低了網(wǎng)絡(luò)整體能耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存期。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，更具體的說，尤其涉及一種的基于遺傳算法的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ā?/p>

背景技術(shù)

海洋資源的開發(fā)和海洋權(quán)益的保護(hù)日益受到重視，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)就是基于水下環(huán)境中的應(yīng)用提出的。UWSNs具有低成本、自組織、分布式等特點(diǎn)，能夠在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開發(fā)、災(zāi)害預(yù)警和海洋軍事活動(dòng)等應(yīng)用提供技術(shù)支持，因此UWSNs被廣泛應(yīng)用于海洋技術(shù)領(lǐng)域。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分支，UWSNs在體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)分層、支撐技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域與陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)大致相同。但由于水下工作環(huán)境的特殊性，UWSNs面臨諸多限制和制約，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)水下通信傳輸介質(zhì)受限。電磁波和光信號(hào)作為傳輸介質(zhì)在水中衰減嚴(yán)重，不適用于遠(yuǎn)距離傳輸，因此，通常采用水聲信號(hào)作為傳輸介質(zhì)，但存在傳輸速率低、端到端傳輸延遲大的問題。(2)受水聲信道制約。由于水聲信道端到端傳輸延遲大，存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信的碰撞。且水下環(huán)境未知、多變，環(huán)境噪聲、船舶和生物產(chǎn)生的噪聲均會(huì)影響信號(hào)的傳輸可靠性。(3)受硬件條件制約。水下傳感器節(jié)點(diǎn)無法進(jìn)行充電和電源更換，因此，能耗問題是UWSNs的首要問題。(4)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嬖谖粗院妥兓浴Ｋ聜鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的位置由于洋流等因素會(huì)發(fā)生變化，節(jié)點(diǎn)電源用盡失效及新節(jié)點(diǎn)的加入均會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。特別是對(duì)于含有水下航行器的應(yīng)用場(chǎng)景，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加多變。

為了解決以上問題，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)及基于LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)的協(xié)議被廣泛應(yīng)用于UWSNs?，F(xiàn)有的基于LEACH協(xié)議在每一輪簇首選舉中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量分類，使得不同類型的節(jié)點(diǎn)以不同的概率當(dāng)選為本輪簇首節(jié)點(diǎn)，從而保護(hù)能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)。但是需要確定每一輪當(dāng)中當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所屬區(qū)域，增加了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量，加重了節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，從而導(dǎo)致了額外能耗。同時(shí)LEACH算法未考慮節(jié)點(diǎn)與簇首位置關(guān)系，對(duì)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，發(fā)送能耗隨收發(fā)雙方距離的增加而顯著增長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)全局能耗最優(yōu)。然而，簇首的選擇決定了UWSNs的性能，是一種多目標(biāo)全局優(yōu)化問題。LEACH協(xié)議存在的缺陷導(dǎo)致其不適用于能量極度受限的UWSNs。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點(diǎn)，提供了一種基于遺傳算法的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ā?/p>

本發(fā)明的基于遺傳算法的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟冢ㄟ^以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a).構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)n個(gè)水下節(jié)點(diǎn)均勻分布于L×L二維水下環(huán)境，節(jié)點(diǎn)n_i∈N，節(jié)點(diǎn)集n個(gè)節(jié)點(diǎn)被均勻分成k個(gè)簇，則每個(gè)簇內(nèi)有n/k個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中含1個(gè)簇首和n/k-1個(gè)成員節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)間為單跳距離，均可直接通信，各節(jié)點(diǎn)位置已知且固定，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間的距離為D(i)_R→B，以及節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的平均距離；

b).建立成員節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)能量模型及能量參數(shù)，根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗、接收能耗建立成員節(jié)點(diǎn)的能量模型，根據(jù)簇首節(jié)點(diǎn)的匯聚能量和通信能量建立簇首節(jié)點(diǎn)的能量模型；建立包含剩余能量、能量門限、初始能量在內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能量參數(shù)；