专利名称：基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法
技术领域：
:本发明涉及无线传感器网络和智能计算两大领域，主要涉及一种基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法。
背景技术：
:无线传感器网络是由大量廉价的传感器节点构成的用于监测物理环境信息的无线自组织网络。在许多无线传感器应用中，传感器通常是由电池供电，而且在工作过程中无法补充电能。因此，设计高效的方法来延长网络的工作寿命是无线传感器网络领域的重要研究课题。其中一种延长无线传感器网络寿命的方法是在无线传感器网络中部署中继节点，通过中继节点从传感器节点收集数据并将数据传输到数据处理中心，从而降低传感器的能耗，延长网络的整体寿命。中继节点的部署策略对无线传感器网络的寿命、建造成本、连接可靠性等方面具有重要的影响。传统的中继节点部署方法将该问题看成是一个单目标优化问题来求解，如最小化中继节点的数目或者在固定中继节点的情况下最大化网络寿命等。然而，由于中继节点的部署影响到网络寿命、建造成本等多个互相冲突的因素，传统的方法无法为决策者提供多个具有不同偏好的候选解，无法使他们根据具体的情况灵活选择一个最满意的解决方案。为了解决上述困境，本发明将无线传感器网络的中继节点部署问题建模为一个多目标优化问题，并采用一种新颖的多目标觅母算法同时对网络的寿命和中继节点的数目进行优化，为决策者提供多个具有不同偏好的候选解。多目标觅母算法是一类新兴的多目标进化算法。它的核心思想是在多目标进化算法(如多目标遗传算法)的基础上引入局部优化的策略，从而显著提高算法的搜索效率。由于多目标觅母算法是一种基于种群的算法，可以同时维护一组具有不同偏好的候选解，因而非常适合于求解多目标 优化问题。而且，大量的实际应用表明，多目标觅母算法通常比多目标进化算法具有更高的搜素效率。因此，本发明基于多目标觅母算法设计无线传感器网络的中继节点部署优化方法
发明内容
:本发明将多目标觅母算法用于无线传感器网络中继节点部署优化中。发明的算法步骤为:(I)初始化算法的相关参数及产生一个初始种群。(2)采用传统遗传算法中的交叉操作和变异操作产生N个新个体。(3)对部分较优的个体执行插入中继节点的操作。(4)对部分较优个体执行删除中继节点的操作。(5)对部分较优个体执行局部位移操作。(6)将(2)至(5)产生的新个体与原来的种群合并，并按照非支配排序和拥挤距离对合并后的种群排序，从中选择出最优的N个个体构成新的种群。(7)如果算法达到结束条件则终止，否则转步骤(2)执行。
:图1多目标觅母算法优化无线传感器网络中继节点部署的流程图具体实施方式
:下面结合附图对本发明的方法作进一步的描述。给定N个传感器和一个LXW的检测区域。每个传感器的通信半径和感应半径分别为RcJPR-所有传感器都是由电池供电。由于工作环境恶劣和数量庞大等原因，传感器在工作过程中无法中途补充电能。数据收集节点是一个具有充足电能且部署在检测区域中心的一个节点。传感器将感知的物理环境信息以多跳的形式传输到数据收集中心。我们说一个传感器是有效的当该传感器具有电能且可以通过某种路径将数据传送到数据收集节点。我们的第一个目标是最大化网络的覆盖区域。为了计算网络的覆盖区域，我们将整个检测区域均匀离散化为aXb个小方格。这样我们可以统计被覆盖的小方格的数目来估计覆盖区域的比率，即c = n/(aXb)(I)其中η是被有效的 传感器所覆盖的网络总数。第二个目标是最大化网络的寿命。与目前通用的方式类似，我们假定传感器的能量主要消耗在接受和发送数据上。对每个传感器，将Ibit的数据发送到距离为d的地方需要消耗的能量为etran = a+b.dv(2)其中a和b是与传输的介质有关的常量；V e [2,4]是路径损耗系数。传感器节点接收Ibit的数据需要消耗的能量为:erec = δ(3)其中δ是一个预定义的常量。传感器节点感应Ibit的数据需要消耗的能量为:esen = λ(4)记网络中所有的节点为:\z0, Z1, Z2, , ζη}(5)其中Zci代表着数据收集节点；z1;..., ζη是η个传感器。传感器Zi的寿命按公式
(6)计算:
权利要求
1.一种基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)初始化算法的相关参数及产生一个初始种群； (2)采用传统遗传算法中的交叉操作和变异操作产生N个新个体； (3)对部分较优的个体执行插入中继节点的操作； (4)对部分较优个体执行删除中继节点的操作； (5)对部分较优个体执行局部位移操作； (6)将(2)至(5)产生的新个体与原来的种群合并，并按照非支配排序和拥挤距离对合并后的种群排序，从中选择出最优的N个个体构成新的种群； (7)如果算法达到结束条件则终止，否则转步骤(2)执行。
2.根据权利要求1所述的基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法，其特征是:算法包含一个加点操作，通过对较优个体插入中继点的方式寻找具有更长寿命的可行解。
3.根据权利要求1所述的基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法，其特征是:算法包含一个删点操作；通过从一个保存最少中继节点的解集中随机选择出一个可行解Ib，并从Ib中随机删除一些中继节点的方式寻找具有更少中继节点的可行解。
4.根据权利要求1所述的基于多目标觅母算法的无线传感器网络中继节点部署优化方法，其特征是:算法包含一个局部优化操作，用于微调可行解的位置向量，从而在保持中继节点数目不变的条件下延长网络的寿命；如果一个中继节点的寿命比它的前驱节点更短，那么它将往它的后继节点的方向 移动，否则该节点将往它的具有最小寿命的前驱节点方向移动。
全文摘要
无线传感器网络的中继节点部署优化是提高无线传感器网络寿命和降低网络建造成本的重要技术。本发明将多目标觅母算法运用于优化无线传感器网络的中继节点部署策略，涉及无线传感器网络和智能计算两大领域。发明的方法采用多目标觅母算法优化无线传感器网络中各个中继节点的位置，从而最大化网络的整体寿命和最小化中继节点的数目。在本发明的算法中引入了三个新颖的与问题相关的局部优化操作，有效提高了算法的优化效率。以多个具有不同传感器规模的网络进行仿真测试，证明了本发明的高效性。
文档编号H04B7/14GK103249179SQ20131017193
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者张军, 钟竞辉 申请人:中山大学