无线传感器网络静态节点最优覆盖控制集求解方法

摘要

本发明公布了一种无线传感器网络静态节点最优覆盖控制集求解方法，本发明在保持一定覆盖率的前提下，令一部分节点进入休眠状态，从而减少工作节点数，降低网络能耗，延长网络生存时间。进一步地，不考虑节点间通信和计算能量消耗，仅考虑节点传感模块的能量消耗，利用节点具有可调节传感半径的属性，寻找一组工作节点数少，同时传感半径组合合适，能耗低，并且满足一定覆盖要求的节点集合。建立了网络节点传感模块能量消耗、网络覆盖率，以及网络节点休眠率三个子函数，由这3个子函数共同构成遗传算法的适应度函数，采用遗传算法求解该模型。获得了一个覆盖范围大、工作节点数少和能量消耗低的最优工作节点组合和工作节点的最优传感半径组合。

主权项

1.一种无线传感器网络静态节点最优覆盖控制集求解方法，其特征在于所述方法如下：无线传感器网络中的节点n_i的坐标为(x_i，y_i)，二维平面监测区域中任意点p的坐标为(x_p，y_p)，则节点n_i对目标点p的检测概率为：$C_p(n_i,p)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{ifd}(n_i,p)\le R_s-R_e\\ e^{(-{\lambda }_1{\alpha }_1^{{\beta }_1}/({\alpha }_2^{{\beta }_2}+{\lambda }_2)),}& \mathrm{if}{R}_s-R_e<d(n_i,p)<R_s+R_e\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$其中，d(n_i，p)为传感器节点n_i与目标点p的欧式距离；R_e(0<R_e<R_s)是传感节点测量可靠性参数；α₁=R_e-R_s+d(n_i，p)，α₂=R_e+R_s-d(n_i，p)；λ₁、λ₂、β₁、β₂是与传感节点特性有关的测量参数；因此，整个二维平面监测区域内的n个传感器节点对目标点p的联合检测概率为：$C_p(n_{\mathrm{all}},p)=1-\underset{i=n}{\Pi }(1-C_p(n_i,p))---\left(1\right)$其中，n_all为测量目标点的传感器节点集合，联合检测概率不低于根据网络需求所设定的阈值c_th，则目标点能被有效检测到的条件为：$\underset{x_p,y_p}{\min }\left\{C_p(n_{\mathrm{all}},p)\right\}\ge C_{\mathrm{th}}---\left(2\right)$将待测区域划分成m×n个网格，再将单元格简化为像素点，网络覆盖率定义为满足式(2)要求的单元格数量占总的单元格数量的比例，即：$C_r=\frac{\underset{x_p=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{y_p=1}{\overset{n}{\Sigma }}{C}_p(n_{\mathrm{all}},p)}{m\times n}---\left(3\right)$根据式(2)和式(3)，可以得到网络覆盖率函数f₁：$f_1=\frac{\underset{x_p=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{y_p=1}{\overset{n}{\Sigma }}{C}_p(S^{\prime },p)}{m\times n}---\left(4\right)$其中，监测区域划分成m×n个网格单元，监测区域内点p联合检测概率须大于概率阈值c_th才能被计算在网络覆盖率内。节点休眠率函数f₂：$f_2=\frac{\left|S\right|-\left|S^{\prime }\right|}{\left|S\right|}---\left(5\right)$其中|S′|表示工作的节点数，|S|为布设的总的节点数；在监测区域内布设的节点中，工作节点集合为N={n₁，n₂，...n_n}，节点传感半径为其中表示节点n_i的传感半径，且表示节点n_i的覆盖面积，表示节点n_i的能量消耗；工作节点的覆盖面积为所有工作节点覆盖面积的并集为：$S_{n_1}\cup S_{n_2}\cup ...\cup S_{n_n}=\underset{i=1}{\overset{n}{\cup }}{S}_{n_i}$覆盖区域的平均能耗为：$\bar{E}=\frac{E_{n_1}+E_{n_2}+...+E_{n_n}}{S_{n_1}\cup S_{n_2}\cup ...\cup S_{n_n}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{{\mathrm{sn}}_i}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\cup }}{S}_{n_i}}u$描述整个无线传感器网络的覆盖消耗的覆盖区域平均能耗子函数f₃为：$f_3=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{{\mathrm{sn}}_i}^2/S\_\mathrm{work}$其中，表示工作节点n_i的传感半径，S_work表示工作节点集合所覆盖的区域面积；总体目标函数为：f=w₁f₁+w₂f₂-w₃f₃                                            (7)其中，w₁+w₂+w₃=1，总体目标函数值f介于0～1之间，值越大，表明覆盖优化效果越优。