專利名稱：基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署的光纖傳感器節(jié)點(diǎn)組成，協(xié)作地傳感、采集、處理監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，并以無線多跳的方式傳輸給控制中心。無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了光纖傳感器抗電磁干擾、防燃防爆等優(yōu)點(diǎn)，和無線組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低、分布式計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，適用于普通傳感器不能勝任的易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性、高電磁干擾等高危環(huán)境，具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。但是，由于光纖傳感器具有光源昂貴、能耗大等缺點(diǎn)，如何延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)成本是急需要解決的問題。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命和成本問題，從節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)、無線傳輸技術(shù)、協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)部署等方面提出了很多解決方案。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用中，當(dāng)完成了節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)以后，節(jié)點(diǎn)部署是首先需要解決的問題，是網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)初期節(jié)點(diǎn)部署策略根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜程度分為兩種隨機(jī)播撒和有計(jì)劃地放置。前者用于復(fù)雜易變的應(yīng)用環(huán)境，如戰(zhàn)場(chǎng)，后者用于環(huán)境已知的應(yīng)用環(huán)境，如溫室。在無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些具體應(yīng)用中，對(duì)于一些環(huán)境已知的監(jiān)測(cè)區(qū)域，需要監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)是預(yù)知的，并不要求對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，因此只需將光纖傳感器節(jié)點(diǎn)固定部署在熱點(diǎn)附近。但是，由于節(jié)點(diǎn)通信距離的有限性，傳感器節(jié)點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)不能通信的情況，導(dǎo)致組成的網(wǎng)絡(luò)不連通，從而不能正常工作。如何對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化部署，既能保證網(wǎng)絡(luò)的連通，又能最小化節(jié)點(diǎn)能耗和網(wǎng)絡(luò)成本，是研究部署的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署屬于NP完全問題，多數(shù)算法只能找到近似解。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多解決方案，但大多存在算法復(fù)雜的缺點(diǎn)，限制了這些方案的推廣和使用。粒子群算法是一種群體智能進(jìn)化算法，以粒子對(duì)解空間中最優(yōu)粒子的追隨進(jìn)行解空間的搜索，具有算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、速度快、解質(zhì)量高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明使用粒子群算法對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署進(jìn)行優(yōu)化，可以根據(jù)實(shí)際需要部署，既能保證網(wǎng)絡(luò)的連通，又能減少節(jié)點(diǎn)數(shù)目，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)成本的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)光纖傳感器能耗大、節(jié)點(diǎn)成本高等問題，提供一種用于已知監(jiān)測(cè)環(huán)境情況的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是首先以最小化光纖傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗和最 小化上層網(wǎng)絡(luò)的成本為目標(biāo)，建立底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，并采用基于離散二進(jìn)制的多目標(biāo)粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到底層網(wǎng)絡(luò)部署方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的分布式傳感；然后在底層網(wǎng)絡(luò)部署方案的基礎(chǔ)上，以最小化上層網(wǎng)絡(luò)成本為目標(biāo)，以上層網(wǎng)絡(luò)的全連通為約束，建立上層網(wǎng)絡(luò)部署模型，并設(shè)計(jì)增大粒子差異性的適應(yīng)函數(shù)，采用基于模擬退火的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到上層網(wǎng)絡(luò)部署方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感數(shù)據(jù)的多跳傳輸。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在于采用下述步驟實(shí)現(xiàn)第一，部署由光纖傳感器節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)組成的底層網(wǎng)絡(luò)；第二，部署由管理節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)；
所述部署由光纖傳感器節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)組成的底層網(wǎng)絡(luò)包括如下步驟
a)根據(jù)特定監(jiān)測(cè)環(huán)境構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)Keenan-Motley模型構(gòu)建節(jié)點(diǎn)通信模型；根據(jù)一階無線電模型建立底層網(wǎng)絡(luò)通信能耗模型；通過聯(lián)合優(yōu)化通信能耗和網(wǎng)絡(luò)成本，建立底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型；
b)針對(duì)建立的底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，使用基于離散二進(jìn)制隨機(jī)粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行求解，求得一個(gè)非劣解集，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，從中選取一個(gè)解，得到光纖傳感器節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)的部署情況；
所述部署由管理節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)包括如下步驟
i)根據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型的求解結(jié)果，選出管理節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型；構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)成本模型；構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)連通模型；以上層網(wǎng)絡(luò)連通為約束，通過優(yōu)化上層網(wǎng)絡(luò)成本，建立上層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型；
)針對(duì)建立的上層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)增大粒子間差異性的適應(yīng)值函數(shù)，并使用基于模擬退火的粒子群算法進(jìn)行求解，使在上層網(wǎng)絡(luò)連通的情況下，網(wǎng)絡(luò)成本最小。具體說明如下
(O 底層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型。假設(shè)區(qū)域A內(nèi)分布著《個(gè)熱點(diǎn)需要被監(jiān)測(cè)。有兩種節(jié)點(diǎn)待部署，分別為光纖傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)。光纖傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集信息并發(fā)送至管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)用于信息采集和轉(zhuǎn)發(fā)來自光纖傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感信息。在每個(gè)熱點(diǎn)上，僅需放置一個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)，就可以采集對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)的信息。每個(gè)管理節(jié)點(diǎn)管理一個(gè)或多個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)僅能由一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)管理。(2) 節(jié)點(diǎn)通信模型。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于多經(jīng)、障礙物等因素，信號(hào)在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生損耗，根據(jù)Keenan-Motley模型,信號(hào)傳播距離d后的路徑損耗/ 為
權(quán)利要求
1. 一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)部署由光纖傳感器節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)組成的底層網(wǎng)絡(luò)；2)部署由管理節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)；所述部署由光纖傳感器節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)組成的底層網(wǎng)絡(luò)包括如下步驟a、根據(jù)特定監(jiān)測(cè)環(huán)境構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)Keenan-Motley模型構(gòu)建節(jié)點(diǎn)通信模型；根據(jù)一階無線電模型建立底層網(wǎng)絡(luò)通信能耗模型；通過聯(lián)合優(yōu)化通信能耗和網(wǎng)絡(luò)成本，建立底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型；b、針對(duì)建立的底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，使用基于離散二進(jìn)制隨機(jī)粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行求解，求得一個(gè)非劣解集，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，從中選取一個(gè)解，得到光纖傳感器節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)的部署情況；所述部署由管理節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)包括如下步驟1、根據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型的求解結(jié)果，選出管理節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型； 構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)成本模型；構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)連通模型；以上層網(wǎng)絡(luò)連通為約束，通過優(yōu)化上層網(wǎng)絡(luò)成本，建立上層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型；ii、針對(duì)建立的上層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)增大粒子間差異性的適應(yīng)值函數(shù)，并使用基于模擬退火的粒子群算法進(jìn)行求解，使在上層網(wǎng)絡(luò)連通的情況下，網(wǎng)絡(luò)成本最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在于，所述步驟a更進(jìn)一步包含如下步驟建立底層網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)區(qū)域A內(nèi)分布著《個(gè)熱點(diǎn)需要被監(jiān)測(cè)，有兩種節(jié)點(diǎn)待部署，分別為光纖傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)；光纖傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集信息并發(fā)送至管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)用于信息采集和轉(zhuǎn)發(fā)來自光纖傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感信息；在每個(gè)熱點(diǎn)上，僅需放置一個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)，就可以采集對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)的信息；每個(gè)管理節(jié)點(diǎn)管理一個(gè)或多個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)僅能由一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)管理；建立節(jié)點(diǎn)通信模型根據(jù)Keenan-Motley模型,信號(hào)傳播距離d后的路徑損耗/ 為P￡ = P￡(rf0)+ IOylg —J Z其中，dn是參考距離，PL(d0)是傳播名的路徑損耗^是路徑損耗系數(shù)，Wi是發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間第i類障礙物衰減因子，h是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間第i類障礙物個(gè)數(shù)；節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)J方向所發(fā)射的信號(hào)的最大衰落半徑式_為PImk-PL⑷-辦_Zζ[ = IQ I。,其中，是最大路徑損耗值；當(dāng)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)之間的距離Sdm3K時(shí)，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)能相互通信，其中， dLj=各'-xZfHnT，(u)是節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo);建立底層網(wǎng)絡(luò)通信能耗模型設(shè)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)的通信能耗模型為一階無線電模型，其中發(fā)射器、接收器的功耗為尾(nj/bit)，發(fā)射放大器的功耗為￡^, (nj/bit)，在一個(gè)傳感周期內(nèi)，一個(gè)光纖傳感器向距離為J (d<dmvs )的管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的發(fā)送能耗1&為Smie = Eeke (.fc) +E—{k，d、= kEeke +M2Emf一個(gè)傳感周期內(nèi)，一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)的能耗馬_為Ekesd = Esx(mk) + En {(m + ^k,^) = (2m + l)kEeUc + (m +1)E_其中，E^mk)為管理節(jié)點(diǎn)接收其管轄內(nèi)個(gè)光纖傳感器發(fā)送的傳感信息數(shù)據(jù)包的能耗，忍“卜+糾麗)為管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感信息數(shù)據(jù)包的能耗；以最小化光纖傳感器通信能耗、最小化管理節(jié)點(diǎn)最大通信能耗和最小化網(wǎng)絡(luò)成本為目標(biāo)建立底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型優(yōu)化問題
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在于，所述步驟b進(jìn)一步包含以下內(nèi)容O采用離散二進(jìn)制對(duì)粒子進(jìn)行編碼，編碼長(zhǎng)度等于熱點(diǎn)的數(shù)量第i個(gè)粒子的編碼為:Xi =其中，七=I表示在熱點(diǎn)J放置管理節(jié)點(diǎn)，七=O表示在熱點(diǎn)J放置光纖傳感器節(jié)點(diǎn)；構(gòu)造非劣解集分為初始非劣解集和更新非劣解集初始非劣解是在初始化粒子以后， 當(dāng)一個(gè)粒子不受其它粒子支配時(shí)，將其放入非劣解集中，并在粒子更新之前從中隨機(jī)選擇一個(gè)粒子作為全局最優(yōu)值；更新非劣解集時(shí)，當(dāng)一個(gè)新粒子不受其它粒子的支配時(shí)，將其放入非劣解集中，并在粒子更新之前從中隨機(jī)選擇一個(gè)粒子作為全局最優(yōu)值；粒子的速度更新公式采用下式，且限制在[-4，4]之間vU (i+1) = a CO' W+q. . (/Ij W - 1U- (Φ+q. γ (pSj ( -))其中，為當(dāng)前粒子速度,KAt+1)為更新后的粒子速度；^{ 為當(dāng)前粒子位置；是加速因子，分別用于調(diào)整粒子向局部最優(yōu)和全局最優(yōu)進(jìn)化的步長(zhǎng)； ^ = 0.9-0.5//1^是慣性因子，使算法在初期便于全局搜索，后期利于收斂至全局最優(yōu)解，是最大迭代次數(shù)d , ^為[O，I]范圍內(nèi)的獨(dú)立隨機(jī)數(shù)； 的是個(gè)體最優(yōu)解；是全局最優(yōu)解；粒子的位置更新公式采用下式Jo r 6 ⑷隊(duì).G+1))WI s/r3 < sig ( + 1))其中，Jri4+1)為更新后的粒子位置；—(H =、為[ο, I]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在于，所述步驟i更進(jìn)一步包含如下步驟建立上層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型在區(qū)域A內(nèi)，將底層網(wǎng)絡(luò)中選出的^個(gè)管理節(jié)點(diǎn)視作固定節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)布撒I個(gè)可移動(dòng)的路由節(jié)點(diǎn)，并將所有P個(gè)節(jié)點(diǎn)抽象為一個(gè)無向圖G，其中路由節(jié)點(diǎn)僅用作轉(zhuǎn)發(fā)傳感信息；建立上層網(wǎng)絡(luò)成本模型在管理節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，上層網(wǎng)絡(luò)成本與部署路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)；由于優(yōu)化時(shí)會(huì)隨機(jī)布撒數(shù)量較多的路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)冗余時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)的位置會(huì)出現(xiàn)重合，此時(shí)將多個(gè)重合的節(jié)點(diǎn)視作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而把最小化路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量問題轉(zhuǎn)換為最大化重合路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量問題；判斷相距式j(luò)任意兩節(jié)點(diǎn)是否重合由重合度來衡量，定義為CDW =其中，
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，其特征在 于，所述步驟ii進(jìn)ー步分為以下內(nèi)容采用路由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)粒子進(jìn)行編碼，編碼長(zhǎng)度為^ ,第 個(gè)粒子的編碼名為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于粒子群算法的無線光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，首先以最小化光纖傳感器節(jié)點(diǎn)能耗和底層網(wǎng)絡(luò)成本為目標(biāo)，建立底層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，采用基于離散二進(jìn)制的多目標(biāo)粒子群算法求解，得到底層網(wǎng)絡(luò)部署方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域分布式傳感；然后在底層網(wǎng)絡(luò)部署方案的基礎(chǔ)上，以最小化上層網(wǎng)絡(luò)成本為目標(biāo)，以上層網(wǎng)絡(luò)全連通為約束，建立上層網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)增大粒子差異性的適應(yīng)函數(shù)，采用基于模擬退火的粒子群算法求解，得到上層網(wǎng)絡(luò)部署方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感數(shù)據(jù)的多跳傳輸。本方法不僅能降低光纖傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，均衡管理節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命，還能在保證網(wǎng)絡(luò)全連通的前提下，減少部署路由節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，降低網(wǎng)絡(luò)成本。
文檔編號(hào)H04W24/02GK102625324SQ20121005940
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者朱姍, 王廷云 申請(qǐng)人:上海大學(xué)