基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，包括以下步骤：1、设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离；2、无线传感器在监测区域范围内的布撒；3、确定无线传感器节点的坐标值，计算各节点之间距离，存储至节点坐标矩阵；4、计算各节点的受力情况；5、判断节点移动是否满足约束条件：如果是则以当前的节点坐标矩阵作为节点位置数据输出；否则进入下一步骤；判断节点位置与监测区域范围的边界之间的距离是否超过距离阈值：如果未超过，则使节点受力后正常移动，返回步骤3；如果超过，则使节点停止向监测区域范围的边界方向的移动，回弹第二距离阈值，然后返回步骤3。本发明还涉及一种无线传感网覆盖优化系统。
【专利说明】基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信领域，具体而言涉及一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化 方法与系统。
【背景技术】
[0002] 无线传感网中的节点一般有成本较低，节点能量有限，探测和通信距离有限，一次 布撒后很少进行人工干预等特点。在军事领域的应用中，有时为了探测敌情的需要，要把传 感器节点布置在敌方一侧，或者是距离敌方要害部门较近的地方，这时不宜采用人工布撒 的方式，只能采用飞机或导弹布撒的方式。采用非人工布撒的方式虽然速度较快，效率也比 较高，但是布撒过程中容易出现节点分布不均匀，以至于监测区域不能被有效覆盖的情况， 这就需要对无线传感网覆盖的优化问题做深入的研究。
[0003] 解决非人工布撒传感网节点时容易出现的节点分布不均匀，使得监测区域不能被 有效覆盖的问题主要有两种思路：一种是对监测区域实现饱和布撒，即用远远超过正常数 量的大量传感器布撒到监测区域；另一种是用有限数量的节点对监测区域进行布撒，布撒 后的节点采用一定的机制实现所有节点的定位，通过无线网络返回给用户终端所有节点的 坐标，用户终端根据收集的节点位置信息，按照集中式或分布式方式，采用一定的算法调整 各节点位置，将节点的位置调整信息分发给各节点，最终在节点有一定移动能力的前提下， 实现节点位置更新和网络覆盖率优化的效果。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统，旨 在解决传感器节点布撒时的过于集中和过于分散的问题，同时实现针对特定区域随机布撒 传感器节点覆盖后的优化。
[0005] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0006] 为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其实现包括以下步骤：
[0008] 步骤1、通过输入设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离；
[0009] 步骤2、使用随机数矩阵生成方式实现无线传感器在监测区域范围内的布撒，形成 节点分布图；
[0010] 步骤3、确定所有无线传感器节点的坐标值，并根据节点坐标逐个计算各节点与其 余各节点之间距离，存储前述节点坐标值及节点间距离至一节点坐标矩阵；
[0011] 步骤4、根据节点间距离值计算各节点的受力情况，包括斥力和引力；
[0012] 步骤5、判断节点移动是否满足约束条件：如果是，则以当前的节点坐标矩阵作为 节点位置数据输出；否则，进入下述步骤6 ;
[0013] 步骤6、判断节点位置与监测区域范围的边界之间的距离是否超过一距离阈值： 如果未超过距离阈值，则使节点受力后按照其所受斥力或引力的方向和大小移动，且每次 移动的距离为0. lm，然后返回步骤3 ;如果超过该距离阈值，则使节点停止向监测区域范围 的边界方向的移动，并回弹设定的第二距离阈值，然后返回步骤3。
[0014] 进一步的实施例中，前述步骤4中，节点受力的计算，包括以下步骤：
[0015]以下述公式计算引力y引力（X)和斥力y斥为（X):
【权利要求】
1. 一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、通过输入设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离； 步骤2、使用随机数矩阵生成方式实现无线传感器在监测区域范围内的布撒，形成节点 分布图； 步骤3、确定所有无线传感器节点的坐标值，并根据节点坐标逐个计算各节点与其余各 节点之间距离，存储前述节点坐标值及节点间距离至一节点坐标矩阵； 步骤4、根据节点间距离值计算各节点的受力情况，包括斥力和引力； 步骤5、判断节点移动是否满足约束条件：如果是，则以当前的节点坐标矩阵作为节点 位置数据输出；否则，进入下述步骤6 ; 步骤6、判断节点位置与监测区域范围的边界之间的距离是否超过一距离阈值：如果 未超过距离阈值，则使节点受力后按照其所受斥力或引力的方向和大小移动，且每次移动 的距离为0. lm，然后返回步骤3 ;如果超过该距离阈值，则使节点停止向监测区域范围的边 界方向的移动，并回弹设定的第二距离阈值，然后返回步骤3。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其特征在于， 前述步骤4中，节点受力的计算，包括以下步骤： 以下述公式计算引力y引力（X)和斥力y斥^ (X):
其中，X为节点间的距离，dbal为节点间的平衡距离，d_ = 4r，r为前述设定的传感器 的探测距离。
3. 根据权利要求2所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其特征在于， 前述方法更包含以下步骤： 设定前述节点间的平衡距离dbal :
其中，r为前述设定的传感器的探测距离。
4. 根据权利要求1所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其特征在于， 前述方法更包含以下步骤： 设定节点移动的约束条件，即节点的受力平衡或者达到预设的移动次数。
5. -种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化系统，其特征在于，包括第一模块、第二 模块、第三模块、第四模块、第五模块以及第六模块，其中： 用于通过输入设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离的第一模块； 用于使用随机数矩阵生成方式实现无线传感器在监测区域范围内的布撒形成节点分 布图的第二模块； 用于确定所有无线传感器节点的坐标值，并基于节点坐标逐个计算各节点与其余各节 点之间距离，以及存储前述节点坐标值及节点间距离至一节点坐标矩阵的第三模块； 用于根据节点间距离值计算各节点的受力情况的第四模块，前述节点的受力情况包括 斥力和引力； 用于判断节点移动是否满足约束条件并执行相应处理的第五模块：如果满足约束条 件，则以当前的节点坐标矩阵作为节点位置数据输出；如果不满足约束条件，则控制所述第 六模块执行相应处理； 用于判断节点位置与监测区域范围的边界之间的距离是否超过一距离阈值并执行相 应处理的第六模块：如果未超过距离阈值，则使节点受力后按照其所受斥力或引力的方向 和大小移动，且每次移动的距离为0. lm，然后控制第三模块、第四模块和第五模块重新执行 相应的计算和处理；如果超过该距离阈值，则使节点停止向监测区域范围的边界方向的移 动，并回弹设定的第二距离阈值，然后控制第三模块、第四模块和第五模块重新执行相应的 计算和处理。
6. 根据权利要求5所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化系统，其特征在于， 前述第四模块被配置为按照如下方式计算节点的受力情况，即引力yg力（X)和斥力 (X):
其中，X为节点间的距离，dbal为节点间的平衡距离，d_ = 4r，r为前述设定的传感器 的探测距离。
7. 根据权利要求6所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化系统，其特征在于， 前述第一模块还被配置用于设定前述节点间的平衡距离dbal :
其中，r为前述设定的传感器的探测距离。
8. 根据权利要求5所述的基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化系统，其特征在于， 前述第一模块还被配置用于设定节点移动的约束条件： 即节点的受力平衡或者达到预设的移动次数。
【文档编号】H04W16/18GK104333866SQ201410579915
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】王晓萍, 周文, 徐立升, 张日飞, 蒋秀波, 宋早迪, 崔雪峰, 武澎 申请人:北方信息控制集团有限公司