专利名称：无线传感器网络优化方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络优化方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术：
近些年，许多国内外学者和专家对无线传感器网络的覆盖问题与能耗问题做了大 量的研究工作。Neelofer Tambili和Mohamed ^unis所提出的可移动传感器网络中感知 覆盖与恢复连通研究，其思想是把覆盖区域和连通问题作为整体进行研究，利用感知覆盖
(Coverage Conscious connectivity Restoration C3R) ^^ ! ^^'! 复一个或多个失效邻居节点，使得每个邻居节点重新定位并逐个代替失效节点恢复到初始 位置，进而形成了恢复性连通同时也监测到了覆盖区域所有初始位置的目标节点。Y. Jin 等人给出在节点随机部署情况下，提出了一个节点位置独立的路由算法(ECCRA)，并给出了 实现网络一定覆盖条件下的覆盖率的求解公式。以上各种算法在很大程度上都可以完成 覆盖与连通，但求解过程过于复杂。Xing G等人所提出的覆盖配置协议(CCP)利用节点的 局部位置信息以分布式对节点职能合格性进行判断，职能合格者将转换成活跃状态对目标 区域进行监测，而不合格者节点将转换成休眠状态而节省能量。该文证明了当无线传感器 网络中节点的通信半径大于或者等于感应半径的2倍时，如果网络1度覆盖给定的监测区 域，那么该区域中网络节点也是连通的。该文还考虑了多度覆盖，其协议可以满足多度覆盖 要求。但是，在判断节点是否冗余时所采用的节点职能合格性判断算法的复杂度是0 (N3)。 H. ^iang等人所给出的方法是集中不相交的覆盖集合数降至最低，此方法利用不相交覆盖 集连续重组方法对覆盖区域重新划分，进而达到覆盖集数量最低，此方法可以有效地减少 网络能量的消耗，但传感器节点每次数据采集耗能不等的情况下并不是最优方法。Q. Zhao 等人所提出一个最大偏移量以及一个感知空间概率模型，传感器网络被分割为多个不相交 等范围尺度的单元，其中每个单元之中只有一个传感器允许传输数据，这个空间模型化方 法更好地解决了密集部署具有的空间联系的随机场网络节点能量消耗问题，但是该方法在 应用过程较为复杂，不易实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种在满足一定的覆盖率要求下，以最少传感器节点数目完 成对覆盖区域内的目标进行覆盖的无线传感器网络优化方法，以更好的解决覆盖与连接以 及节点部署的问题。为实现上述目的，本发明的无线传感器网络优化方法步骤如下
(1)将所监测的目标节点规划到一个正方形区域内，在该正方形区域内随机布置传感 器节点构成无线传感器网络，建立传感器节点与目标节点关联模型，使关注的目标节点处 于无线传感器网络的覆盖范围之内；
(2)利用贪心算法对整个无线传感器网络生存周期进行优化；
(3)利用期望概率对整个正方形区域进行计算，确定所覆盖区域内完成覆盖的最少传感器节点数量；
(4)通过传感器节点之间的状态调度机制让传感器节点处于不同的状态，以减少网络 能量的消耗，延长网络生存周期，实现无线传感器网络的优化。进一步的，所述步骤(1)中传感器节点与目标节点关联模型是依据目标节点被哪 些传感器节点的感应范围所覆盖而建立的。进一步的，所述步骤(1)中若是目标节点没有被无线传感器网络所覆盖，也即是目 标节点没有被任何传感器节点所覆盖，那么需在该目标节点处添置传感器节点，使该目标 节点处于添置传感器节点的感知范围之内，并重新建立传感器节点与目标节点关联模型。进一步的，所述步骤(2)中是设传感器网络中的总节点数为N，Mi为需要达到的活 动传感器数量，节点i的预期时间为t”贪心算法如下
(a)初始化网络最优生命值L=O；
(b)根据^值对各传感器节点从大到小进行排序；
(c)记当前预期时间排在j位的传感器为Sj，若tsMi=0，则转(e)；
(d)取传感器Sj，在接下来的周期内处于活动状态，更新tsj=tsj_l，L=L+1，转步骤(b)；
(e)算法结束，返回网络最优寿命值L。进一步的，所述步骤(3)中正方形区域的边长为
I，传感器节点感应半径为Γ？,网络覆盖率的期望值不小于ρ,则部署节点的数量至少为 EiJC
In(I-C)Zln(I-^)1HW1 E(C)代表节点的覆盖期望值，。代表网络面积。进一步的，所述步骤(4)中传感器节点之间的状态调度机制是以设定某一个工作 周期轮换为前提，让传感器节点以设定周期轮换进行工作状态转换，首先传感器节点初始 化状态信息，使无线传感器网络中任一节点处于判断、竞争、等待、启动、休眠五种状态中的 一种，当一轮工作周期结束后，休眠节点进行初始化状态信息，准备开始下一周期的判断过程。进一步的，所述传感器节点初始化状态信息包括关闭节点感知模块、更新节点自 身位置和其邻节点的位置信息。进一步的，所述判断状态是，当判断满足时休眠条件时，则进入休眠状态；否则节 点启动定时器，设定随机延迟时间，准备进入竞争状态；竞争状态是，如果延迟时间超出设 定时间时，则节点进入启动状态，否则节点进入等待状态；等待状态是，对于竞争失败的节 点均处在等待状态，并通过竞争机制接收成功节点的广播消息后，更新邻节点在本地状态 信息，而后进入判断状态；启动状态是，当竞争成功的节点进入启动状态后要向其他邻居节 点广播信息，广播信息包含该节点的惟一标识号ID和位置信息，同时启动了感知模块并开 始执行感知工作；休眠状态是，若节点发现它的覆盖范围已经被其它节点k度覆盖，那么它 把自身转换到休眠状态以节省能量。进一步的，节点从判断转为等待，完成候选节点的选取；活跃阶段，节点在自身能 量充足且满足覆盖要求时，从等待态转为启动态；工作阶段，节点处于竞争态，直到下一轮 开始转为等待态或当节点能量耗尽时转为休眠态，每个节点通过感知模块对邻居节点自身 的状态知别来执行自调度过程，直到确定自身为启用状态或休眠状态。
进一步的，普通节点按ID从小到大顺序依次检测到自己是否为冗余节点，如果是 冗余节点马上转为休眠并且不作为其他待检测节点的邻居节点参与监测过程从而避免了 相邻两节点同时休眠而出现的监测真空情况；当新的一轮的分簇完成后，在上一轮中曾经 被确定是冗余节点的休眠节点当选为簇首的概率提高，在新的簇中普通节点再次检测从而 确定自己的状态是否激活或休眠；曾经被确定不是冗余节点的节点也会检测自己在新的 簇中是否为冗余节点。本发明的无线传感器网络优化方法利用传感器节点与目标节点之间的关联性确 定有效的覆盖区域，在覆盖区域内，利用贪心算法对整个网络生存周期进行优化，保证了所 关注目标节点被传感器节点覆盖的同时优化了网络资源，利用期望概率相关理论知识对覆 盖区域传感器节点进行优化计算，求得所部署覆盖区域内最少传感器节点数，在覆盖过程 中，传感器节点通过节点状态调度机制转换进行轮流工作，从而可以有效地降低网络能耗， 提高整个网络的生存周期，保证了网络覆盖质量要求的同时能够有效地减少活跃节点的数 量，延长了网络的生存时间。
图1是目标区域关联覆盖与节点P位于区域II时示意图； 图2是实施例中目标区域关联覆盖示意图3是传感器节点五状态转换示意图； 图4是传感器节点三状态转换示意图。
具体实施例方式本发明的无线传感器网络优化方法步骤如下
(1)将所监测的目标节点规划到一个正方形区域内，在该正方形区域内随机布置传感 器节点构成无线传感器网络，建立传感器节点与目标节点关联模型，使关注的目标节点处 于无线传感器网络的覆盖范围之内；
(2)利用贪心算法对整个无线传感器网络生存周期进行优化；
(3)利用期望概率对整个正方形区域进行计算，确定所覆盖区域内完成覆盖的最少传 感器节点数量；
(4)通过传感器节点之间的状态调度机制让传感器节点处于不同的状态，以减少网络 能量的消耗，延长网络生存周期，实现无线传感器网络的优化。贪心算法是一种局部优化算法，当局部进行优化后，对全局而言也达到了优化，即 完成N项工作时所需要工作时间为最少。如果没有优化时，极有可能会出现，某个“关注”目 标节点同时被多个传感器节点所覆盖，一直到传感器节点能量消耗尽为止。当某个目标节 点成为所“关注”的目标节点同时被传感器节点所覆盖时，通过贪心算法对能量最高的传感 器节点首先进行覆盖工作，如果是K覆盖可让K个传感器节点，能量由大到小直到K (能量 较高的传感器节点的预期时间也会较长)同时覆盖。其中当K个传感器节点当中某一个传 感器节点的能量小于K之外的某个节点时，通过节点调度机制换醒这个节点同时关闭能量 较小的传感器节点。当某一个周期结束后，所“关注”目标节点不在是所“关注”的目标节 点时，通过节点的调度机制关闭或休眠某些传感器节点，保存能量。
贪心算法是对整个网络生存周期的一种优化设传感器网络中的总节点数为N，Mi 为需要达到的活动传感器数量，节点i的预期时间为ti;基站模式的节点运行的贪心算法如 下
(1)初始化网络最优生命值L=O；
(2)根据^值对各传感器节点从大到小进行排序；
(3)记当前预期时间排在j位的传感器为Sj，若tsMi=0，则转(5)；
(4)取传感器~，在接下来的周期内处于活动状态，更新tsft‘l，L=L+1，转步骤(2)；
(5)算法结束，返回网络最优寿命值L。对本发明的详细说明如下。一、本发明的方法是基于如下基本假设
1)无线传感器节点的通信模型和感应模型都是圆盘模型，即通信范围和感应范围都 是呈圆盘状；
2)网络初始化时具有相同的能量值，在网络中各节点地位平等；
3)每个无线传感器节点知道自己的地理位置信息(如通过某种定位算法获得)。二、计算过程
现以图1这种简单的模型为例进行分析，将正方形区域1划分成区域I和区域II 两个部分，其中区域ι是边长为I-2^的正方形，区域II是正方形区域1中减去区域ι的区 域。利用双重正方形将目标节点规划到内正方形区域即区域1内，在监测区域即区域1内随 机部署传感器节点并将这些节点构造成一个有限集合S中，每个节点的覆盖面积为E(C)， 这样每个节点的覆盖概率为Ε(0/Ω，其中Ω是整个正方形网络面积，当节点集合为空时， 部署的η个节点得到网络覆盖率为P(S) = (1-Ε(C)/Ω )η这样就得到了集体S不为空集的情 况下的网络节点覆盖概率值
权利要求
1.一种无线传感器网络优化方法，其特征在于，该方法步骤如下(1)将所监测的目标节点规划到一个正方形区域内，在该正方形区域内随机布置传感 器节点构成无线传感器网络，建立传感器节点与目标节点关联模型，使关注的目标节点处 于无线传感器网络的覆盖范围之内；(2)利用贪心算法对整个无线传感器网络生存周期进行优化；(3)利用期望概率对整个正方形区域进行计算，确定所覆盖区域内完成覆盖的最少传 感器节点数量；(4)通过传感器节点之间的状态调度机制让传感器节点处于不同的状态，以减少网络 能量的消耗，延长网络生存周期，实现无线传感器网络的优化。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述步骤(1)中传 感器节点与目标节点关联模型是依据目标节点被哪些传感器节点的感应范围所覆盖而建立的。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述步骤(1)中 若是目标节点没有被无线传感器网络所覆盖，也即是目标节点没有被任何传感器节点所覆 盖，那么需在该目标节点处添置传感器节点，使该目标节点处于添置传感器节点的感知范 围之内，并重新建立传感器节点与目标节点关联模型。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述步骤(2)中是 设传感器网络中的总节点数为IMiS需要达到的活动传感器数量，节点i的预期时间为ti; 贪心算法如下(a)初始化网络最优生命值L=O；(b)根据^值对各传感器节点从大到小进行排序；(c)记当前预期时间排在j位的传感器为Sj，若tsMi=0，则转(e)；(d)取传感器Sj，在接下来的周期内处于活动状态，更新tsj=tsj-l，L=L+1，转步骤(b)；(e)算法结束，返回网络最优寿命值L。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述 步骤(3)中正方形区域的边长为！ ，传感器节点感应半径为&，网络覆盖率的期望值不小于^则部署节点的数量至少为lnd-e^Ml-f),其中E(C)代表节点的覆盖期望值，。代表网络面积。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述步骤(4)中传 感器节点之间的状态调度机制是以设定某一个工作周期轮换为前提，让传感器节点以设定 周期轮换进行工作状态转换，首先传感器节点初始化状态信息，使无线传感器网络中任一 节点处于判断、竞争、等待、启动、休眠五种状态中的一种，当一轮工作周期结束后，休眠节 点进行初始化状态信息，准备开始下一周期的判断过程。
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述传感器节点初 始化状态信息包括关闭节点感知模块、更新节点自身位置和其邻节点的位置信息。
8.根据权利要求6所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于所述判断状态是， 当判断满足时休眠条件时，则进入休眠状态；否则节点启动定时器，设定随机延迟时间，准 备进入竞争状态；竞争状态是，如果延迟时间超出设定时间时，则节点进入启动状态，否则节点进入等待状态；等待状态是，对于竞争失败的节点均处在等待状态，并通过竞争机制接 收成功节点的广播消息后，更新邻节点在本地状态信息，而后进入判断状态；启动状态是， 当竞争成功的节点进入启动状态后要向其他邻居节点广播信息，广播信息包含该节点的惟 一标识号ID和位置信息，同时启动了感知模块并开始执行感知工作；休眠状态是，若节点 发现它的覆盖范围已经被其它节点k度覆盖，那么它把自身转换到休眠状态以节省能量。
9.根据权利要求8所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于节点从判断转为等 待，完成候选节点的选取；活跃阶段，节点在自身能量充足且满足覆盖要求时，从等待态转 为启动态；工作阶段，节点处于竞争态，直到下一轮开始转为等待态或当节点能量耗尽时转 为休眠态，每个节点通过感知模块对邻居节点自身的状态知别来执行自调度过程，直到确 定自身为启用状态或休眠状态。
10.根据权利要求6所述的无线传感器网络优化方法，其特征在于普通节点按ID从 小到大顺序依次检测到自己是否为冗余节点，如果是冗余节点马上转为休眠并且不作为其 他待检测节点的邻居节点参与监测过程从而避免了相邻两节点同时休眠而出现的监测真 空情况；当新的一轮的分簇完成后，在上一轮中曾经被确定是冗余节点的休眠节点当选为 簇首的概率提高，在新的簇中普通节点再次检测从而确定自己的状态是否激活或休眠；曾 经被确定不是冗余节点的节点也会检测自己在新的簇中是否为冗余节点。
全文摘要
本发明涉及无线传感器网络优化方法，将所监测的目标节点规划到一个正方形区域内，在该正方形区域内随机布置传感器节点构成无线传感器网络，建立传感器节点与目标节点关联模型，使关注的目标节点处于无线传感器网络的覆盖范围之内；利用贪心算法对整个无线传感器网络生存周期进行优化；利用期望概率对整个正方形区域进行计算，确定所覆盖区域内完成覆盖的最少传感器节点数量；通过传感器节点之间的状态调度机制让传感器节点处于不同的状态，以减少网络能量的消耗，延长网络生存周期，实现无线传感器网络的优化；本方法可以有效地降低网络能耗，提高整个网络的生存周期。
文档编号H04W24/02GK102083085SQ20111003763
公开日2011年6月1日 申请日期2011年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者丁国强, 刁文广, 孙泽宇, 李传锋, 舒云星, 赵国增 申请人:洛阳理工学院