專利名稱：一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由許多個(gè)帶有各種傳感器、具有通信和定位能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過自組織、自動(dòng)路由形成的一種網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、低功耗、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)覆蓋和能量消耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)核心問題。網(wǎng)絡(luò)覆蓋決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界的監(jiān)測能力，能量消耗則決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)覆蓋與能量消耗密切相關(guān)，節(jié)點(diǎn)部署則是影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要因素。人們可以將節(jié)點(diǎn)散布在高溫、高濕、有害氣體以及敵方控制區(qū)域等我方人員不可能到達(dá)的地方以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，以達(dá)到無人監(jiān)測的目的。移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量、魯棒性和多功能性方面具有許多潛在的優(yōu)勢。在軍用和民用方面，可以進(jìn)行戰(zhàn)場監(jiān)督、搜索和防御、危險(xiǎn)環(huán)境下工作、環(huán)境監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤和遙感，因此越來越受到人們的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效覆蓋控制問題和傳感器節(jié)點(diǎn)的自部署問題進(jìn)行了深入研究。在研究過程中我們發(fā)現(xiàn)，自然界中同種或不同種的個(gè)體之間，為爭奪食物和空間等生活的必需資源會(huì)產(chǎn)生競爭。競爭的結(jié)果是每個(gè)個(gè)體都盡可能多的占有資源，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。此種特性，有助于我們有效解決移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織覆蓋問題。在自然界的個(gè)體競爭中，強(qiáng)勢個(gè)體憑借自己進(jìn)化程度上的優(yōu)越性能夠大量占有自然資源，排擠弱勢個(gè)體；與之相反的，弱勢個(gè)體，雖然不能在強(qiáng)勢個(gè)體領(lǐng)地內(nèi)與之競爭，但是他們靈活性好，且數(shù)量龐大。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋的算法中，我們將每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種不同的傳感器節(jié)點(diǎn)。靜態(tài)傳感器雖不能移動(dòng)，但其用于感測與通信的能量高于移動(dòng)傳感器(即動(dòng)態(tài)傳感器)，因移動(dòng)會(huì)消耗能量，故其探測范圍可以適當(dāng)擴(kuò)大。相對應(yīng)的，動(dòng)態(tài)傳感器可以發(fā)揮其數(shù)量和靈活的優(yōu)勢，填補(bǔ)靜態(tài)傳感器的覆蓋漏洞?？梢钥闯?，傳感器節(jié)點(diǎn)和生命個(gè)體之間具有很好的類比性。因此，在我們的算法中 把靜態(tài)傳感器定義為“強(qiáng)勢個(gè)體”，把可移動(dòng)傳感器定義為“弱勢個(gè)體”，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的有效覆蓋面積定義為該節(jié)點(diǎn)所獲取的“自然資源”，從而提出了一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織方法?；谏鲜鲅芯?，本發(fā)明的目的在于提供一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法。具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始布置先將各靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在任務(wù)區(qū)域中間位置；(2)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部調(diào)整我們可以在保證獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不分裂的基礎(chǔ)上，使用盡可能少動(dòng)態(tài)傳感器來補(bǔ)充靜態(tài)傳感器所不能覆蓋的區(qū)域。從而將盡可能多的動(dòng)態(tài)傳感器解放出來，用于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張；(3)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的外部擴(kuò)張?jiān)诖_保網(wǎng)絡(luò)不分裂前提下，對準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之外的傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，使網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積最大，并將準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之外的傳感器原先所在位置發(fā)布給準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之內(nèi)的傳感器，作為其移動(dòng)的指導(dǎo)信息；(4)該方法的優(yōu)劣檢驗(yàn)為檢驗(yàn)本方法的優(yōu)劣，在動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)布置基本穩(wěn)定時(shí)，模擬節(jié)點(diǎn)能量耗盡或故障的情形以檢驗(yàn)其魯棒性、抗毀性和靈活性。該方法將自然界生物活動(dòng)中通過競爭實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置的方法應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類比為生物競爭中的個(gè)體，把目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域類比為生活資源，把對傳感器網(wǎng)絡(luò)所做的優(yōu)化配置類比為生物競爭行為對生活資源的優(yōu)化配置。該方法能夠很好的自組織布置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的魯棒性、抗毀性和靈活性，即使在節(jié)點(diǎn)缺失的條件下也能很好的完成任務(wù)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明圖1為本發(fā)明方法中算法程序流程圖；圖2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始布置時(shí)的分布圖；圖3a、!3b為基于生物競爭的自組織方法中獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部調(diào)整和外部擴(kuò)張示意圖；圖4為利用基于生物競爭的自組織方法時(shí)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)分布圖；圖5為利用驗(yàn)證該方法優(yōu)劣時(shí)去掉動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)分布圖；圖6為配置過程中的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率示意圖。
具體實(shí)施例方式1)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始布置圖1為本發(fā)明方法中算法程序流程圖，圖2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始布置時(shí)的分布圖，結(jié)合圖1和圖2所示，在進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始化布置時(shí)，首先設(shè)定探測半徑，然后設(shè)定矩形邊界，例如，我們把目標(biāo)區(qū)域定為長16cm，寬14cm的矩形區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中隨機(jī)撒入5 個(gè)半徑為Icm的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在矩形中心區(qū)域撒入57個(gè)半徑為0. 5cm的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)區(qū)域的空白點(diǎn)(沒被節(jié)點(diǎn)覆蓋的點(diǎn))，即為所要爭奪的資源。2)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部調(diào)整我們知道在資源有限的情況下，強(qiáng)勢個(gè)體依靠其優(yōu)勢，總是能夠優(yōu)先占有部分資源，其不能占有的資源將在弱勢間通過競爭得到分配。而競爭失敗的弱勢個(gè)體能夠利用其靈活性去尋找新的資源。同樣的道理，本方法可以在保證獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不分裂的基礎(chǔ)上，為了使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能占有更多的資源，因此使用盡可能少動(dòng)態(tài)傳感器來補(bǔ)充靜態(tài)傳感器所不能覆蓋的區(qū)域，保證該區(qū)域覆蓋冗余最小，從而將盡可能多的動(dòng)態(tài)傳感器解放出來，用于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張。圖3a、3b為基于生物競爭的自組織方法中獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部調(diào)整和外部擴(kuò)張圖，如圖3a所示，演示了這樣一個(gè)過程，Si、S2、S3、S4、S5、S6表示靜態(tài)傳感器，它們的感測范圍用黑色的圓表示，Ml、M2、M3、M4、M5、M6表示可移動(dòng)傳感器，它們的感測范圍用虛線和點(diǎn)線表示。Ml被優(yōu)化配置到Ml’，其感測范圍用粗線圓表示。為保證網(wǎng)絡(luò)不分裂，M2與M3保持位置不變。Ml'、M2、M3和所有的靜態(tài)傳感器構(gòu)成了一個(gè)“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器(從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的傳感器)覆蓋范圍”，構(gòu)成“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍”的傳感器將不再參與向外擴(kuò)張。M4、M5、M6則是被解放出來的可移動(dòng)傳感器，它們將參與向外擴(kuò)張。3)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的外部擴(kuò)張參與外部擴(kuò)張的傳感器的感測范圍與內(nèi)部調(diào)整后形成的“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍”的相對位置關(guān)系必然處于如下三種類型中的一種A-完全在“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍” 之外，如圖北中的M4 ；B-部分在“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍”之內(nèi)，如圖北中的M5 ；C-完全在“準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍”之內(nèi)，如圖北中的M6。如圖北所示，在確保網(wǎng)絡(luò)不分裂前提下，對A類傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，使網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積最大，并將A類傳感器原先所在位置發(fā)布給C類傳感器，作為C類傳感器移動(dòng)的指導(dǎo)fn息。在擴(kuò)張過程中，部分子網(wǎng)絡(luò)將因?yàn)榫嚯x的拉近而能夠互相通信，此時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整子網(wǎng)絡(luò)。一旦兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)能夠通信，則立即中斷原配置操作，將兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)合并為一個(gè)新的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，并對新的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。4)該方法的優(yōu)劣檢驗(yàn)為了進(jìn)一步檢驗(yàn)本算法的優(yōu)劣，我們在動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)布置基本穩(wěn)定的時(shí)候，模擬節(jié)點(diǎn)能量耗盡或故障的情形，隨機(jī)去掉6個(gè)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，觀察網(wǎng)絡(luò)再組織能力，檢驗(yàn)其魯棒性、抗毀性和靈活性，如圖5所示，圖5為利用驗(yàn)證該方法優(yōu)劣時(shí)去掉動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)分布圖結(jié)果；同時(shí)，我們?nèi)汤L制了 WSN配置過程的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率曲線，從覆蓋率的角度定量分析算法的優(yōu)劣，如圖6所示。圖5顯示，網(wǎng)絡(luò)在失去6個(gè)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的情況下，本方法仍可以使網(wǎng)絡(luò)盡可能的填補(bǔ)缺失節(jié)點(diǎn)的空白，并較好的完成任務(wù)。圖6表明本方法可以迅速優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，使覆蓋率在較短的時(shí)間內(nèi)上升至97%左右；當(dāng)節(jié)點(diǎn)減少時(shí)，覆蓋率驟然降低， 但在該方法的作用下，網(wǎng)絡(luò)可以得到再配置，覆蓋率可以重新上升到一個(gè)較高的程度。該方法將自然界生物活動(dòng)中通過競爭實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置的方法應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類比為生物競爭中的個(gè)體，把目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域類比為生活資源，把對傳感器網(wǎng)絡(luò)所做的優(yōu)化配置類比為生物競爭行為對生活資源的優(yōu)化配置。該方法能夠很好的自組織布置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的魯棒性、抗毀性和靈活性，即使在節(jié)點(diǎn)缺失的條件下也能很好的完成任務(wù)。上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍的內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法，該方法包括以下步驟(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始布置先將各靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在任務(wù)區(qū)域中間位置；(2)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部調(diào)整在保證獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不分裂的基礎(chǔ)上，使用盡可能少的動(dòng)態(tài)傳感器來補(bǔ)充靜態(tài)傳感器所不能覆蓋的區(qū)域，以便將盡可能多的動(dòng)態(tài)傳感器解放出來，用于網(wǎng)絡(luò)的外部擴(kuò)張；(3)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的外部擴(kuò)張?jiān)诖_保獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不分裂前提下，對準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之外的傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，使網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋面積最大，并將準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之外的傳感器原先所在位置發(fā)布給準(zhǔn)靜態(tài)傳感器覆蓋范圍之內(nèi)的傳感器，作為其移動(dòng)的指導(dǎo)信肩、ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法，其特征在于所述步驟( 對動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化配置從而保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法，其特征在于所述步驟C3)對動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化配置在保證內(nèi)部連通的條件下向外部擴(kuò)張， 以實(shí)現(xiàn)最大程度的覆蓋連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法，其特征在于在擴(kuò)張過程中，部分子網(wǎng)絡(luò)將因?yàn)榫嚯x的拉近而能夠互相通信，此時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整子網(wǎng)絡(luò)；一旦兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)能夠通信，則立即中斷原配置操作，將兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)合并為一個(gè)新的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，并對新的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于生物競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織覆蓋方法，該方法把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類比為生物競爭中的個(gè)體，把目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域類比為生活資源，把對傳感器網(wǎng)絡(luò)所做的優(yōu)化配置類比為生物競爭行為對生活資源的優(yōu)化配置。發(fā)明將自然界生物活動(dòng)中通過競爭實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置的方法應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署，從而降低了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量、移動(dòng)距離及信息復(fù)雜度，提高了無線傳感器的行動(dòng)效率，并間接達(dá)到省電的目的，很好的自組織布置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的魯棒性、抗毀性和靈活性，即使在節(jié)點(diǎn)缺失的條件下也能很好的完成任務(wù)。
文檔編號H04W84/18GK102547759SQ20111043940
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者彭力 申請人:無錫虹業(yè)自動(dòng)化工程有限公司