[發明專利]基于粒子群優化帝王蝶算法的無線傳感器網絡覆蓋方法

在審

• 申請號: 202111253027.8
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN113905389A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 張勇;樂英高;曹莉;魯小蘭
• 申請（專利權）人: 湖北文理學院
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W84/18;G06N3/00;H04W4/38
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖明洲

本發明公開了一種基于粒子群優化帝王蝶算法的無線傳感器網絡覆蓋方法，將待測區域離散化為若干個像素點；計算每個像素點處的傳感器節點被傳感器節點集合感知的聯合概率，結合傳感器節點覆蓋效率以及網絡能耗均衡得到無線傳感網絡覆蓋問題的適應度函數初始化種群，利用所述優化問題的適應度函數，對種群每個個體進行適應度計算，以適應度最大為優化目標，在隨后的帝王蝶算法的遷移算子中通過融合粒子群算法擴大搜索策略，并改進調整算子以增加種群多樣性，加快種群全局的尋優速度，不斷更新種群位置，對待測區域內所有傳感節點進行覆蓋優化，使得網絡的覆蓋率和節點的利用率得到明顯提高，同時降低了網絡消耗，延長了網絡的生命周期。

技術領域

本發明屬于無線網絡技術領域，涉及一種無線傳感器網絡覆蓋方法，具體涉及一種基于粒子群優化帝王蝶算法的無線傳感器網絡覆蓋方法。

背景技術

無線傳感器網絡由若干微型傳感器節點組成，節點之間通過相互協作，實時進行數據的采集、分析、融合和傳輸，實現對環境或對象信息的實時監測、感知、采集和處理，并以無線多跳的通訊方式實現信息交互。作為一種目標區域監測和信息獲取的重要技術，無線傳感器網絡在環境保護、智慧醫療、智能建筑、農業物聯網等諸多領域發揮著重大作用。無線傳感器網絡的具體設計面臨很多約束和挑戰，而覆蓋優化是無線傳感器網絡的一個重要的衡量指標。

覆蓋優化是指在節點能量、無線通信帶寬和硬件資源等普遍受限的條件下，根據不同的應用情況，通過優化節點的位置部署，達到延長網絡生命周期、提高目標區域覆蓋率等目的。覆蓋率是無線傳感器網絡的一個重要的衡量指標，如何使用有限數量的傳感節點最大范圍的覆蓋目標區域，同時盡可能的延長網絡生存時間，一直是無線傳感器網絡研究的熱點。因此，傳感節點在待測區域的部署數量以及分布位置的合理性對于網絡服務質量的影響顯得尤為重要。網絡覆蓋優化主要是針對在無線傳感中的節點在一定的受限條件下，通過對節點的設置位置以及網絡路由的選擇方法，從而在受限的無線網絡中使得網絡資源得到很好的配置。

針對無線傳感器網絡覆蓋優化問題，群體智能算法在這方面的研究越來越廣泛，國內外學者們相繼提出了基于遺傳算法、蟻群算法、粒子群優化算法、人工蜂群算法、人工魚群算法、蛙跳算法以及相關算法的改進組合等的無線傳感器網絡覆蓋優化算法。這些算法均能夠有效提高覆蓋率，并使整個網絡節點的分布更加均勻。但通常考慮的優化目標比較單一，使得傳感器節點冗余度較高，節點能量損耗較快，網絡的生存周期比較短，同時算法本身也有著不足之處，均存在收斂速度較慢、容易陷入局部最優解等問題。

發明內容

本發明目的在于提出一種基于粒子群優化帝王蝶算法的無線傳感器網絡覆蓋優化方法，克服標準群體智能算法容易陷入局部最優，覆蓋效果較差等缺陷，提高網絡有效覆蓋率和節點利用率的同時，降低不必要的節點能量消耗，延長整個網絡的生存周期。

本發明所采用的技術方案是：一種基于粒子群優化帝王蝶算法的無線傳感器網絡覆蓋方法，包括以下步驟：

步驟1：將連續的待監測區域離散化處理為m×n個像素點，并在該離散化區域內隨機分配N個無線傳感器節點，構成無線傳感器節點集合G；每個無線傳感器網絡節點均保證相同的感知半徑r和通信半徑；

步驟2：計算每個傳感器節點感知像素點的概率，繼而計算每個像素點處傳感節點被整個無線傳感器節點集合G感知的聯合概率P；

步驟3：根據每個像素點處傳感節點被整個無線傳感器節點集合G感知的聯合概率P，計算得到無線傳感器網絡的覆蓋率λ(P)；

步驟4：結合無線傳感器網絡覆蓋率得到無線傳感器網絡覆蓋優化問題的適應度函數f＝ω₁λ(P)+ω₂θ+ω₃η，其中；θ為傳感器網絡節點覆蓋效率，η為網絡能耗均衡系數；ω₁，ω₁和ω₁為權值系數，滿足ω₁+ω₂+ω₃＝1；