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一种基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法

发明公布  无效
申请(专利)号:CN201110439406.6国省代码:江苏 32
申请(专利权)人:无锡虹业自动化工程有限公司
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摘要:
本发明涉及无线传感器网络技术领域,公开了一种基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法,该方法把传感器网络中的节点类比为生物竞争中的个体,把目标监测区域类比为生活资源,把对传感器网络所做的优化配置类比为生物竞争行为对生活资源的优化配置。发明将自然界生物活动中通过竞争实现资源的优化配置的方法应用到无线传感器网络的节点部署,从而降低了节点的计算量、移动距离及信息复杂度,提高了无线传感器的行动效率,并间接达到省电的目的,很好的自组织布置传感器网络节点,使网络具有良好的鲁棒性、抗毁性和灵活性,即使在节点缺失的条件下也能很好的完成任务。

主权项:
一种基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法,该方法包括以下步骤:(1)传感器网络节点初始布置:先将各静态传感器节点和动态传感器节点随机部署在任务区域中间位置;(2)独立网络的内部调整:在保证独立网络不分裂的基础上,使用尽可能少的动态传感器来补充静态传感器所不能覆盖的区域,以便将尽可能多的动态传感器解放出来,用于网络的外部扩张;(3)独立网络的外部扩张:在确保独立网络不分裂前提下,对准静态传感器覆盖范围之外的传感器进行优化配置,使网络有效覆盖面积最大,并将准静态传感器覆盖范围之外的传感器原先所在位置发布给准静态传感器覆盖范围之内的传感器,作为其移动的指导信息。


相似专利
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一种基于生物竞争的无线传感器网络自组织方法
说明书

一种基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域,尤其涉及一种基于生物竞争的无线
传感器网络自组织覆盖方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是由许多个带有各种传感器、具有通信和定位能力
的网络节点,通过自组织、自动路由形成的一种网络,无线传感器网络是由低
成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点
通过自组织方式形成的网络。

网络覆盖和能量消耗是无线传感器网络的两个核心问题。网络覆盖决定了
无线传感器网络对物理世界的监测能力,能量消耗则决定了无线传感器网络的
生存时间。网络覆盖与能量消耗密切相关,节点部署则是影响网络覆盖的重要
因素。人们可以将节点散布在高温、高湿、有害气体以及敌方控制区域等我方
人员不可能到达的地方以实现连续实时数据采集,以达到无人监测的目的。移
动传感器网络在数据的采集质量、鲁棒性和多功能性方面具有许多潜在的优势。
在军用和民用方面,可以进行战场监督、搜索和防御、危险环境下工作、环境
监控、目标跟踪和遥感,因此越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明主要针对无线传感器网络的能量高效覆盖控制问题和传感器节点的
自部署问题进行了深入研究。在研究过程中我们发现,自然界中同种或不同种
的个体之间,为争夺食物和空间等生活的必需资源会产生竞争。竞争的结果是
每个个体都尽可能多的占有资源,实现资源的优化配置。此种特性,有助于我
们有效解决移动传感器网络的自组织覆盖问题。

在自然界的个体竞争中,强势个体凭借自己进化程度上的优越性能够大量
占有自然资源,排挤弱势个体;与之相反的,弱势个体,虽然不能在强势个体
领地内与之竞争,但是他们灵活性好,且数量庞大。

在无线传感器网络自组织覆盖的算法中,我们将每一个传感器节点看作一
个独立的子网络,并设计了动态和静态两种不同的传感器节点。静态传感器虽
不能移动,但其用于感测与通信的能量高于移动传感器(即动态传感器),因移
动会消耗能量,故其探测范围可以适当扩大。相对应的,动态传感器可以发挥
其数量和灵活的优势,填补静态传感器的覆盖漏洞。可以看出,传感器节点和
生命个体之间具有很好的类比性。因此,在我们的算法中:把静态传感器定义
为“强势个体”,把可移动传感器定义为“弱势个体”,每一个传感器节点的有
效覆盖面积定义为该节点所获取的“自然资源”,从而提出了一种基于生物竞争
的无线传感器网络自组织方法。

基于上述研究,本发明的目的在于提供一种基于生物竞争的无线传感器网
络自组织覆盖方法。具体实现包括以下步骤:

(1)传感器网络节点初始布置:先将各静态节点和动态传感器节点随机部署在
任务区域中间位置;

(2)独立网络的内部调整:我们可以在保证独立网络不分裂的基础上,使用尽
可能少动态传感器来补充静态传感器所不能覆盖的区域。从而将尽可能多的动
态传感器解放出来,用于网络的扩张;

(3)独立网络的外部扩张:在确保网络不分裂前提下,对准静态传感器覆盖范
围之外的传感器进行优化配置,使网络有效覆盖面积最大,并将准静态传感器
覆盖范围之外的传感器原先所在位置发布给准静态传感器覆盖范围之内的传感
器,作为其移动的指导信息;

(4)该方法的优劣检验:为检验本方法的优劣,在动态节点布置基本稳定时,
模拟节点能量耗尽或故障的情形以检验其鲁棒性、抗毁性和灵活性。

该方法将自然界生物活动中通过竞争实现资源的优化配置的方法应用到无
线传感器网络的节点部署,把传感器网络中的节点类比为生物竞争中的个体,
把目标监测区域类比为生活资源,把对传感器网络所做的优化配置类比为生物
竞争行为对生活资源的优化配置。该方法能够很好的自组织布置传感器网络节
点,使网络具有良好的鲁棒性、抗毁性和灵活性,即使在节点缺失的条件下也
能很好的完成任务。

附图说明

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明:

图1为本发明方法中算法程序流程图;

图2为网络节点初始布置时的分布图;

图3a、3b为基于生物竞争的自组织方法中独立网络的内部调整和外部扩张
示意图;

图4为利用基于生物竞争的自组织方法时网络动态节点分布图;

图5为利用验证该方法优劣时去掉动态节点时的网络动态节点分布图;

图6为配置过程中的网络覆盖率示意图。

具体实施方式

1)传感器网络节点初始布置

图1为本发明方法中算法程序流程图,图2为网络节点初始布置时的分布
图,结合图1和图2所示,在进行传感器网络节点的初始化布置时,首先设定
探测半径,然后设定矩形边界,例如,我们把目标区域定为长16cm,宽14cm
的矩形区域,在这个区域中随机撒入5个半径为1cm的静态节点,同时在矩形
中心区域撒入57个半径为0.5cm的动态节点,目标区域的空白点(没被节点覆
盖的点),即为所要争夺的资源。

2)独立网络的内部调整

我们知道在资源有限的情况下,强势个体依靠其优势,总是能够优先占有
部分资源,其不能占有的资源将在弱势间通过竞争得到分配。而竞争失败的弱
势个体能够利用其灵活性去寻找新的资源。同样的道理,本方法可以在保证独
立网络不分裂的基础上,为了使整个网络能占有更多的资源,因此使用尽可能
少动态传感器来补充静态传感器所不能覆盖的区域,保证该区域覆盖冗余最小,
从而将尽可能多的动态传感器解放出来,用于网络的扩张。

图3a、3b为基于生物竞争的自组织方法中独立网络的内部调整和外部扩张
图,如图3a所示,演示了这样一个过程,S1、S2、S3、S4、S5、S6表示静态传
感器,它们的感测范围用黑色的圆表示,M1、M2、M3、M4、M5、M6表示可移动
传感器,它们的感测范围用虚线和点线表示。M1被优化配置到M1’,其感测范围
用粗线圆表示。为保证网络不分裂,M2与M3保持位置不变。M1′、M2、M3和所有
的静态传感器构成了一个“准静态传感器(从一个平衡状态过渡到另一个平衡
状态的传感器)覆盖范围”,构成“准静态传感器覆盖范围”的传感器将不再参
与向外扩张。M4、M5、M6则是被解放出来的可移动传感器,它们将参与向外扩
张。

3)独立网络的外部扩张

参与外部扩张的传感器的感测范围与内部调整后形成的“准静态传感器覆
盖范围”的相对位置关系必然处于如下三种类型中的一种:A-完全在“准静态
传感器覆盖范围”之外,如图3b中的M4;B-部分在“准静态传感器覆盖范围”
之内,如图3b中的M5;C-完全在“准静态传感器覆盖范围”之内,如图3b
中的M6。

如图3b所示,在确保网络不分裂前提下,对A类传感器进行优化配置,使
网络有效覆盖面积最大,并将A类传感器原先所在位置发布给C类传感器,作
为C类传感器移动的指导信息。

在扩张过程中,部分子网络将因为距离的拉近而能够互相通信,此时需要
动态调整子网络。一旦两个独立网络能够通信,则立即中断原配置操作,将两
个子网络合并为一个新的独立网络,并对新的独立网络进行配置。

4)该方法的优劣检验

为了进一步检验本算法的优劣,我们在动态节点布置基本稳定的时候,模
拟节点能量耗尽或故障的情形,随机去掉6个动态节点,观察网络再组织能力,
检验其鲁棒性、抗毁性和灵活性,如图5所示,图5为利用验证该方法优劣时
去掉动态节点时的网络动态节点分布图结果;同时,我们全程绘制了WSN配置
过程的网络覆盖率曲线,从覆盖率的角度定量分析算法的优劣,如图6所示。
图5显示,网络在失去6个动态节点的情况下,本方法仍可以使网络尽可能的
填补缺失节点的空白,并较好的完成任务。图6表明本方法可以迅速优化网络
配置,使覆盖率在较短的时间内上升至97%左右;当节点减少时,覆盖率骤然
降低,但在该方法的作用下,网络可以得到再配置,覆盖率可以重新上升到一
个较高的程度。

该方法将自然界生物活动中通过竞争实现资源的优化配置的方法应用到无
线传感器网络的节点部署,把传感器网络中的节点类比为生物竞争中的个体,
把目标监测区域类比为生活资源,把对传感器网络所做的优化配置类比为生物
竞争行为对生活资源的优化配置。该方法能够很好的...

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图1
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