專利名稱：基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說，是一種基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)自身攜帶的能量非常有限，如何在充分利用能量的前提下盡可能延長網(wǎng)絡(luò)工作時間，成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題；同時由于節(jié)點(diǎn)高密度部署在監(jiān)測區(qū)域中，一方面節(jié)點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域相互重疊使得獲取的數(shù)據(jù)存在很大的相關(guān)性，另一方面節(jié)點(diǎn)之間相互競爭信道使得大量的數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突。節(jié)點(diǎn)調(diào)度是一種基于應(yīng)用需求來優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗效率的有效方法。通過在空間上和時間上對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的來源和數(shù)量，從數(shù)據(jù)感知和無線通信兩個方面減少電量的消耗， 提聞網(wǎng)絡(luò)的能耗效率。
為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的目標(biāo)，傳統(tǒng)的方法是在監(jiān)測區(qū)域中高密度部署傳感器節(jié)點(diǎn)，大量冗余的節(jié)點(diǎn)會造成通信沖突和能量消耗。因此，如何在保持覆蓋的前提下，提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測性能和降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，就成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法一個基本且亟待解決的問題。
現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法大多假定參與調(diào)度的節(jié)點(diǎn)為同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)的感知半徑、 攜帶的能量和每個時間片內(nèi)消耗的能量相同，同時假定監(jiān)測目標(biāo)在監(jiān)測區(qū)域均勻分布特點(diǎn)，這些假設(shè)忽略了同構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)具有擴(kuò)展性差、不易維護(hù)的缺點(diǎn)，并且在現(xiàn)實(shí)中監(jiān)測目標(biāo)的出現(xiàn)常常呈現(xiàn)“熱點(diǎn)”分布的趨勢，即在局部區(qū)域出現(xiàn)頻繁，其余區(qū)域出現(xiàn)概率較小的特點(diǎn)。
近年來，已經(jīng)涌現(xiàn)出許多將節(jié)點(diǎn)調(diào)度問題與優(yōu)化算法結(jié)合的智能優(yōu)化算法，如粒子群算法、遺傳算法、模擬退火算法等，這些方法均能對節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。然而，粒子群優(yōu)化策略在解空間搜索時，容易出現(xiàn)“早熟”，對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)優(yōu)化產(chǎn)生不利影響，而且利用該算法時，搜索空間將隨被優(yōu)化的向量維度增加；基于遺傳算法的優(yōu)化覆蓋幾種能獲得較快的收斂速度，但算法復(fù)雜度較高；基本的差分算法盡管具有優(yōu)化過程簡單、受控參數(shù)少、 全局優(yōu)化性能突出的特點(diǎn)，但缺乏對初始參數(shù)選取的魯棒性，這些參數(shù)的選取是否恰當(dāng)會極大地影響全局優(yōu)化能力。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)調(diào)度技術(shù)中存在的不足，提供一種基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，該方法運(yùn)用自適應(yīng)的差分進(jìn)化算法，其原理簡單，計算復(fù)雜度低，具有搜索性能突出和收斂快的特點(diǎn)；同時，本發(fā)明設(shè)計中運(yùn)用maximin適應(yīng)度函數(shù)，該方法不需要關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的先驗(yàn)知識，并且可以對目標(biāo)空間進(jìn)行廣泛的搜索，算法不易陷入局部最優(yōu)且具有較快的收斂速度從而能達(dá)到實(shí)現(xiàn)最佳區(qū)域監(jiān)測性能和降低能耗的效果。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
一種基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其關(guān)鍵在于按照以下步驟進(jìn)行
步驟I，網(wǎng)絡(luò)初始化，包括
步驟1-1 :在二維監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，按照有邊界的帕累托分布布置Q個監(jiān)測目標(biāo)，同時隨機(jī)部署η個傳感器節(jié)點(diǎn)，將傳感器節(jié)點(diǎn)記為Si (i = 1，2，. . .，η)，利用M位二進(jìn)制編碼表示一個傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測時間內(nèi)各個時間片的工作狀態(tài)，采用D位二進(jìn)制編碼^ t2. . . tD 作為一個染色體表示η個傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測時間內(nèi)各個時間片的的工作狀態(tài)，即D = η*Μ， 由w個染色體組成一個種群,并記為P(PJg),. . .，Pw(g)}，O < g < G,其中g(shù)表示當(dāng)前種群的迭代次數(shù)，G表示種群的最大迭代次數(shù)，M即為監(jiān)測時間內(nèi)的時間片個數(shù)；
如果td = 1，(I < d < D 且 d = (i_l)*M+k, I ^ k ^ Μ),則表示第 i 個傳感器節(jié)點(diǎn)的第k個時間片處于工作狀態(tài)；
如果td = 0，(I < d < D 且 d = (i_l)*M+k, I ^ k ^ Μ),則表示第 i 個傳感器節(jié)點(diǎn)的第k個時間片處于休眠狀態(tài)；
步驟1-2:按照公式(I)生成初始輔助種群P' {P' !(O),...,P/ (O)};
Pm'，d(0) = -5+10 X rand,(I)
其中，P/，d(0)表示初始種群中第m個染色體的第d位二進(jìn)制編碼的輔助計算值， m = I, 2, ...，w;d = I, 2，···，D, rand 表示(O, I)之間的隨機(jī)數(shù)；
步驟1-3 :按照公式(2)對初始種群PiP1 (O),..., Pw(O)}進(jìn)行初始化；
權(quán)利要求
1.一種基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行 步驟I，網(wǎng)絡(luò)初始化，包括 步驟1-1 :在二維監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，按照有邊界的帕累托分布布置Q個監(jiān)測目標(biāo)，同時隨機(jī)部署n個傳感器節(jié)點(diǎn)，將傳感器節(jié)點(diǎn)記為Si (i = 1，2，. . .，n),利用M位二進(jìn)制編碼表示一個傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測時間內(nèi)各個時間片的工作狀態(tài)，采用D位二進(jìn)制編碼^ t2. . . tD作為一個染色體表示n個傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測時間內(nèi)各個時間片的工作狀態(tài)，即D = n*M，由w個染色體組成一個種群，并記為PlP1 (g)，…，Pw(g)，0 < g < G，其中g(shù)表示當(dāng)前種群的迭代次數(shù)，G表示種群的最大迭代次數(shù)，M即為監(jiān)測時間內(nèi)的時間片個數(shù)； 如果td = 1，(I彡d彡D且d = (i*l)*M+k, I彡k彡M),則表示第i個傳感器節(jié)點(diǎn)的第k個時間片處于工作狀態(tài)； 如果td = O，(I彡d彡D且d = (i-l)*M+k, I彡k彡M),則表示第i個傳感器節(jié)點(diǎn)的第k個時間片處于休眠狀態(tài)； 步驟1-2:按照公式(I)生成初始輔助種群P' {P/ !(0),..., / (0)}； P' m，d(0) = -5+10 X rand,(I) 其中，p' m,d (0)表示初始種群中第m個染色體的第d位二進(jìn)制編碼的輔助計算值=I,2，...，w;d = I, 2， ，D, rand 表示(0，I)之間的隨機(jī)數(shù)； 步驟1-3 :按照公式(2)對初始種群/5^(O),...，ilP)}進(jìn)行初始化；
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于步驟2中，所述系數(shù)入1; A2按照X1 = Ire (Si) -rs (Si) +d (Si, oq), A2 =re (Si)+rs (Si)-(Ksi, oq)確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于步驟3中，所述第i個染色體的適應(yīng)度A的計算步驟如下 先運(yùn)行min ICi (g) -Ct (g)+e},min (Ai (g) -At (g) + e }分別獲得網(wǎng)絡(luò)覆蓋率最小差值C (g) min和活動節(jié)點(diǎn)最小差值A(chǔ) (g) min，其中
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多重覆蓋的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，采用參數(shù)自適應(yīng)與自調(diào)節(jié)的二進(jìn)制差分算法，在考慮監(jiān)測目標(biāo)非均勻分布以及調(diào)度節(jié)點(diǎn)感知半徑、能量和每個工作周期消耗能量異構(gòu)的情況下，對監(jiān)測目標(biāo)出現(xiàn)頻繁的“熱點(diǎn)”區(qū)域進(jìn)行多重覆蓋，其余的區(qū)域保持基本的覆蓋，有效提高了目標(biāo)的監(jiān)測質(zhì)量，同時減少了活動節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的容錯性，減少了節(jié)點(diǎn)的能量消耗。本發(fā)明基于二進(jìn)制差分算法對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，同時采用了周期性偵聽／休眠機(jī)制、睡眠喚醒機(jī)制，使得異構(gòu)節(jié)點(diǎn)在面對目標(biāo)非均勻分布的監(jiān)測場合能夠出色的完成檢測任務(wù)，同時延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期和降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。
文檔編號H04W72/12GK102984731SQ201210519268
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者李明 申請人:重慶工商大學(xué)