专利名称：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。
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。
具体实施例方式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Icm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，Si、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，Ml、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。Ml被优化配置到Ml’，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。Ml'、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，如图北中的M4 ；B-部分在“准静态传感器覆盖范围”之内，如图北中的M5 ；C-完全在“准静态传感器覆盖范围”之内，如图北中的M6。如图北所示，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fn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。上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。
权利要求
1.一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肩、ο
2.根据权利要求1所述的基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法，其特征在于所述步骤( 对动态传感器节点进行优化配置从而保证网络内部的连通。
3.根据权利要求1所述的基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法，其特征在于所述步骤C3)对动态传感器节点进行优化配置在保证内部连通的条件下向外部扩张， 以实现最大程度的覆盖连通。
4.根据权利要求2或3所述的基于生物竞争的无线传感器网络自组织覆盖方法，其特征在于在扩张过程中，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。
全文摘要
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。
文档编号H04W84/18GK102547759SQ20111043940
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者彭力 申请人:无锡虹业自动化工程有限公司