專利名稱：無線傳感器網絡優化方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡優化方法，屬于無線傳感器網絡技術領域。
背景技術：
近些年，許多國內外學者和專家對無線傳感器網絡的覆蓋問題與能耗問題做了大 量的研究工作。Neelofer Tambili和Mohamed ^unis所提出的可移動傳感器網絡中感知 覆蓋與恢復連通研究，其思想是把覆蓋區域和連通問題作為整體進行研究，利用感知覆蓋
(Coverage Conscious connectivity Restoration C3R) ^^ ! ^^'! 復一個或多個失效鄰居節點，使得每個鄰居節點重新定位并逐個代替失效節點恢復到初始 位置，進而形成了恢復性連通同時也監測到了覆蓋區域所有初始位置的目標節點。Y. Jin 等人給出在節點隨機部署情況下，提出了一個節點位置獨立的路由算法(ECCRA)，并給出了 實現網絡一定覆蓋條件下的覆蓋率的求解公式。以上各種算法在很大程度上都可以完成 覆蓋與連通，但求解過程過于復雜。Xing G等人所提出的覆蓋配置協議(CCP)利用節點的 局部位置信息以分布式對節點職能合格性進行判斷，職能合格者將轉換成活躍狀態對目標 區域進行監測，而不合格者節點將轉換成休眠狀態而節省能量。該文證明了當無線傳感器 網絡中節點的通信半徑大于或者等于感應半徑的2倍時，如果網絡1度覆蓋給定的監測區 域，那么該區域中網絡節點也是連通的。該文還考慮了多度覆蓋，其協議可以滿足多度覆蓋 要求。但是，在判斷節點是否冗余時所采用的節點職能合格性判斷算法的復雜度是0 (N3)。 H. ^iang等人所給出的方法是集中不相交的覆蓋集合數降至最低，此方法利用不相交覆蓋 集連續重組方法對覆蓋區域重新劃分，進而達到覆蓋集數量最低，此方法可以有效地減少 網絡能量的消耗，但傳感器節點每次數據采集耗能不等的情況下并不是最優方法。Q. Zhao 等人所提出一個最大偏移量以及一個感知空間概率模型，傳感器網絡被分割為多個不相交 等范圍尺度的單元，其中每個單元之中只有一個傳感器允許傳輸數據，這個空間模型化方 法更好地解決了密集部署具有的空間聯系的隨機場網絡節點能量消耗問題，但是該方法在 應用過程較為復雜，不易實現。
發明內容
本發明的目的是提供一種在滿足一定的覆蓋率要求下，以最少傳感器節點數目完 成對覆蓋區域內的目標進行覆蓋的無線傳感器網絡優化方法，以更好的解決覆蓋與連接以 及節點部署的問題。為實現上述目的，本發明的無線傳感器網絡優化方法步驟如下
(1)將所監測的目標節點規劃到一個正方形區域內，在該正方形區域內隨機布置傳感 器節點構成無線傳感器網絡，建立傳感器節點與目標節點關聯模型，使關注的目標節點處 于無線傳感器網絡的覆蓋范圍之內；
(2)利用貪心算法對整個無線傳感器網絡生存周期進行優化；
(3)利用期望概率對整個正方形區域進行計算，確定所覆蓋區域內完成覆蓋的最少傳感器節點數量；
(4)通過傳感器節點之間的狀態調度機制讓傳感器節點處于不同的狀態，以減少網絡 能量的消耗，延長網絡生存周期，實現無線傳感器網絡的優化。進一步的，所述步驟(1)中傳感器節點與目標節點關聯模型是依據目標節點被哪 些傳感器節點的感應范圍所覆蓋而建立的。進一步的，所述步驟(1)中若是目標節點沒有被無線傳感器網絡所覆蓋，也即是目 標節點沒有被任何傳感器節點所覆蓋，那么需在該目標節點處添置傳感器節點，使該目標 節點處于添置傳感器節點的感知范圍之內，并重新建立傳感器節點與目標節點關聯模型。進一步的，所述步驟(2)中是設傳感器網絡中的總節點數為N，Mi為需要達到的活 動傳感器數量，節點i的預期時間為t”貪心算法如下
(a)初始化網絡最優生命值L=O；
(b)根據^值對各傳感器節點從大到小進行排序；
(c)記當前預期時間排在j位的傳感器為Sj，若tsMi=0，則轉(e)；
(d)取傳感器Sj，在接下來的周期內處于活動狀態，更新tsj=tsj_l，L=L+1，轉步驟(b)；
(e)算法結束，返回網絡最優壽命值L。進一步的，所述步驟(3)中正方形區域的邊長為
I，傳感器節點感應半徑為Γ？,網絡覆蓋率的期望值不小于ρ,則部署節點的數量至少為 EiJC
In(I-C)Zln(I-^)1HW1 E(C)代表節點的覆蓋期望值，。代表網絡面積。進一步的，所述步驟(4)中傳感器節點之間的狀態調度機制是以設定某一個工作 周期輪換為前提，讓傳感器節點以設定周期輪換進行工作狀態轉換，首先傳感器節點初始 化狀態信息，使無線傳感器網絡中任一節點處于判斷、競爭、等待、啟動、休眠五種狀態中的 一種，當一輪工作周期結束后，休眠節點進行初始化狀態信息，準備開始下一周期的判斷過程。進一步的，所述傳感器節點初始化狀態信息包括關閉節點感知模塊、更新節點自 身位置和其鄰節點的位置信息。進一步的，所述判斷狀態是，當判斷滿足時休眠條件時，則進入休眠狀態；否則節 點啟動定時器，設定隨機延遲時間，準備進入競爭狀態；競爭狀態是，如果延遲時間超出設 定時間時，則節點進入啟動狀態，否則節點進入等待狀態；等待狀態是，對于競爭失敗的節 點均處在等待狀態，并通過競爭機制接收成功節點的廣播消息后，更新鄰節點在本地狀態 信息，而后進入判斷狀態；啟動狀態是，當競爭成功的節點進入啟動狀態后要向其他鄰居節 點廣播信息，廣播信息包含該節點的惟一標識號ID和位置信息，同時啟動了感知模塊并開 始執行感知工作；休眠狀態是，若節點發現它的覆蓋范圍已經被其它節點k度覆蓋，那么它 把自身轉換到休眠狀態以節省能量。進一步的，節點從判斷轉為等待，完成候選節點的選取；活躍階段，節點在自身能 量充足且滿足覆蓋要求時，從等待態轉為啟動態；工作階段，節點處于競爭態，直到下一輪 開始轉為等待態或當節點能量耗盡時轉為休眠態，每個節點通過感知模塊對鄰居節點自身 的狀態知別來執行自調度過程，直到確定自身為啟用狀態或休眠狀態。
進一步的，普通節點按ID從小到大順序依次檢測到自己是否為冗余節點，如果是 冗余節點馬上轉為休眠并且不作為其他待檢測節點的鄰居節點參與監測過程從而避免了 相鄰兩節點同時休眠而出現的監測真空情況；當新的一輪的分簇完成后，在上一輪中曾經 被確定是冗余節點的休眠節點當選為簇首的概率提高，在新的簇中普通節點再次檢測從而 確定自己的狀態是否激活或休眠；曾經被確定不是冗余節點的節點也會檢測自己在新的 簇中是否為冗余節點。本發明的無線傳感器網絡優化方法利用傳感器節點與目標節點之間的關聯性確 定有效的覆蓋區域，在覆蓋區域內，利用貪心算法對整個網絡生存周期進行優化，保證了所 關注目標節點被傳感器節點覆蓋的同時優化了網絡資源，利用期望概率相關理論知識對覆 蓋區域傳感器節點進行優化計算，求得所部署覆蓋區域內最少傳感器節點數，在覆蓋過程 中，傳感器節點通過節點狀態調度機制轉換進行輪流工作，從而可以有效地降低網絡能耗， 提高整個網絡的生存周期，保證了網絡覆蓋質量要求的同時能夠有效地減少活躍節點的數 量，延長了網絡的生存時間。
圖1是目標區域關聯覆蓋與節點P位于區域II時示意圖； 圖2是實施例中目標區域關聯覆蓋示意圖3是傳感器節點五狀態轉換示意圖； 圖4是傳感器節點三狀態轉換示意圖。
具體實施例方式本發明的無線傳感器網絡優化方法步驟如下
(1)將所監測的目標節點規劃到一個正方形區域內，在該正方形區域內隨機布置傳感 器節點構成無線傳感器網絡，建立傳感器節點與目標節點關聯模型，使關注的目標節點處 于無線傳感器網絡的覆蓋范圍之內；
(2)利用貪心算法對整個無線傳感器網絡生存周期進行優化；
(3)利用期望概率對整個正方形區域進行計算，確定所覆蓋區域內完成覆蓋的最少傳 感器節點數量；
(4)通過傳感器節點之間的狀態調度機制讓傳感器節點處于不同的狀態，以減少網絡 能量的消耗，延長網絡生存周期，實現無線傳感器網絡的優化。貪心算法是一種局部優化算法，當局部進行優化后，對全局而言也達到了優化，即 完成N項工作時所需要工作時間為最少。如果沒有優化時，極有可能會出現，某個“關注”目 標節點同時被多個傳感器節點所覆蓋，一直到傳感器節點能量消耗盡為止。當某個目標節 點成為所“關注”的目標節點同時被傳感器節點所覆蓋時，通過貪心算法對能量最高的傳感 器節點首先進行覆蓋工作，如果是K覆蓋可讓K個傳感器節點，能量由大到小直到K (能量 較高的傳感器節點的預期時間也會較長)同時覆蓋。其中當K個傳感器節點當中某一個傳 感器節點的能量小于K之外的某個節點時，通過節點調度機制換醒這個節點同時關閉能量 較小的傳感器節點。當某一個周期結束后，所“關注”目標節點不在是所“關注”的目標節 點時，通過節點的調度機制關閉或休眠某些傳感器節點，保存能量。
貪心算法是對整個網絡生存周期的一種優化設傳感器網絡中的總節點數為N，Mi 為需要達到的活動傳感器數量，節點i的預期時間為ti;基站模式的節點運行的貪心算法如 下
(1)初始化網絡最優生命值L=O；
(2)根據^值對各傳感器節點從大到小進行排序；
(3)記當前預期時間排在j位的傳感器為Sj，若tsMi=0，則轉(5)；
(4)取傳感器~，在接下來的周期內處于活動狀態，更新tsft‘l，L=L+1，轉步驟(2)；
(5)算法結束，返回網絡最優壽命值L。對本發明的詳細說明如下。一、本發明的方法是基于如下基本假設
1)無線傳感器節點的通信模型和感應模型都是圓盤模型，即通信范圍和感應范圍都 是呈圓盤狀；
2)網絡初始化時具有相同的能量值，在網絡中各節點地位平等；
3)每個無線傳感器節點知道自己的地理位置信息(如通過某種定位算法獲得)。二、計算過程
現以圖1這種簡單的模型為例進行分析，將正方形區域1劃分成區域I和區域II 兩個部分，其中區域ι是邊長為I-2^的正方形，區域II是正方形區域1中減去區域ι的區 域。利用雙重正方形將目標節點規劃到內正方形區域即區域1內，在監測區域即區域1內隨 機部署傳感器節點并將這些節點構造成一個有限集合S中，每個節點的覆蓋面積為E(C)， 這樣每個節點的覆蓋概率為Ε(0/Ω，其中Ω是整個正方形網絡面積，當節點集合為空時， 部署的η個節點得到網絡覆蓋率為P(S) = (1-Ε(C)/Ω )η這樣就得到了集體S不為空集的情 況下的網絡節點覆蓋概率值
權利要求
1.一種無線傳感器網絡優化方法，其特征在于，該方法步驟如下(1)將所監測的目標節點規劃到一個正方形區域內，在該正方形區域內隨機布置傳感 器節點構成無線傳感器網絡，建立傳感器節點與目標節點關聯模型，使關注的目標節點處 于無線傳感器網絡的覆蓋范圍之內；(2)利用貪心算法對整個無線傳感器網絡生存周期進行優化；(3)利用期望概率對整個正方形區域進行計算，確定所覆蓋區域內完成覆蓋的最少傳 感器節點數量；(4)通過傳感器節點之間的狀態調度機制讓傳感器節點處于不同的狀態，以減少網絡 能量的消耗，延長網絡生存周期，實現無線傳感器網絡的優化。
2.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述步驟(1)中傳 感器節點與目標節點關聯模型是依據目標節點被哪些傳感器節點的感應范圍所覆蓋而建立的。
3.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述步驟(1)中 若是目標節點沒有被無線傳感器網絡所覆蓋，也即是目標節點沒有被任何傳感器節點所覆 蓋，那么需在該目標節點處添置傳感器節點，使該目標節點處于添置傳感器節點的感知范 圍之內，并重新建立傳感器節點與目標節點關聯模型。
4.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述步驟(2)中是 設傳感器網絡中的總節點數為IMiS需要達到的活動傳感器數量，節點i的預期時間為ti; 貪心算法如下(a)初始化網絡最優生命值L=O；(b)根據^值對各傳感器節點從大到小進行排序；(c)記當前預期時間排在j位的傳感器為Sj，若tsMi=0，則轉(e)；(d)取傳感器Sj，在接下來的周期內處于活動狀態，更新tsj=tsj-l，L=L+1，轉步驟(b)；(e)算法結束，返回網絡最優壽命值L。
5.根據權利要求2-4中任一項所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述 步驟(3)中正方形區域的邊長為！ ，傳感器節點感應半徑為&，網絡覆蓋率的期望值不小于^則部署節點的數量至少為lnd-e^Ml-f),其中E(C)代表節點的覆蓋期望值，。代表網絡面積。
6.根據權利要求5所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述步驟(4)中傳 感器節點之間的狀態調度機制是以設定某一個工作周期輪換為前提，讓傳感器節點以設定 周期輪換進行工作狀態轉換，首先傳感器節點初始化狀態信息，使無線傳感器網絡中任一 節點處于判斷、競爭、等待、啟動、休眠五種狀態中的一種，當一輪工作周期結束后，休眠節 點進行初始化狀態信息，準備開始下一周期的判斷過程。
7.根據權利要求6所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述傳感器節點初 始化狀態信息包括關閉節點感知模塊、更新節點自身位置和其鄰節點的位置信息。
8.根據權利要求6所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于所述判斷狀態是， 當判斷滿足時休眠條件時，則進入休眠狀態；否則節點啟動定時器，設定隨機延遲時間，準 備進入競爭狀態；競爭狀態是，如果延遲時間超出設定時間時，則節點進入啟動狀態，否則節點進入等待狀態；等待狀態是，對于競爭失敗的節點均處在等待狀態，并通過競爭機制接 收成功節點的廣播消息后，更新鄰節點在本地狀態信息，而后進入判斷狀態；啟動狀態是， 當競爭成功的節點進入啟動狀態后要向其他鄰居節點廣播信息，廣播信息包含該節點的惟 一標識號ID和位置信息，同時啟動了感知模塊并開始執行感知工作；休眠狀態是，若節點 發現它的覆蓋范圍已經被其它節點k度覆蓋，那么它把自身轉換到休眠狀態以節省能量。
9.根據權利要求8所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于節點從判斷轉為等 待，完成候選節點的選取；活躍階段，節點在自身能量充足且滿足覆蓋要求時，從等待態轉 為啟動態；工作階段，節點處于競爭態，直到下一輪開始轉為等待態或當節點能量耗盡時轉 為休眠態，每個節點通過感知模塊對鄰居節點自身的狀態知別來執行自調度過程，直到確 定自身為啟用狀態或休眠狀態。
10.根據權利要求6所述的無線傳感器網絡優化方法，其特征在于普通節點按ID從 小到大順序依次檢測到自己是否為冗余節點，如果是冗余節點馬上轉為休眠并且不作為其 他待檢測節點的鄰居節點參與監測過程從而避免了相鄰兩節點同時休眠而出現的監測真 空情況；當新的一輪的分簇完成后，在上一輪中曾經被確定是冗余節點的休眠節點當選為 簇首的概率提高，在新的簇中普通節點再次檢測從而確定自己的狀態是否激活或休眠；曾 經被確定不是冗余節點的節點也會檢測自己在新的簇中是否為冗余節點。
全文摘要
本發明涉及無線傳感器網絡優化方法，將所監測的目標節點規劃到一個正方形區域內，在該正方形區域內隨機布置傳感器節點構成無線傳感器網絡，建立傳感器節點與目標節點關聯模型，使關注的目標節點處于無線傳感器網絡的覆蓋范圍之內；利用貪心算法對整個無線傳感器網絡生存周期進行優化；利用期望概率對整個正方形區域進行計算，確定所覆蓋區域內完成覆蓋的最少傳感器節點數量；通過傳感器節點之間的狀態調度機制讓傳感器節點處于不同的狀態，以減少網絡能量的消耗，延長網絡生存周期，實現無線傳感器網絡的優化；本方法可以有效地降低網絡能耗，提高整個網絡的生存周期。
文檔編號H04W24/02GK102083085SQ20111003763
公開日2011年6月1日 申請日期2011年2月14日 優先權日2011年2月14日
發明者丁國強, 刁文廣, 孫澤宇, 李傳鋒, 舒云星, 趙國增 申請人:洛陽理工學院