[发明专利]基于蚁群搜索算法的异构无线传感器网络寿命优化技术

说明书

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，主要公开了一种基于蚁群搜索算法的异构无线传感器网络寿命优化技术。

背景技术：

随着微电子技术和通信技术的发展，实时监察已在战场监视，环境监督和交通管理等应用中成为现实。这些应用通常要求配备无线传感器网络，它们的服务质量与无线传感器网络的性能紧密相联。评价无线传感器网络的一个基本标准是网络的寿命，即网络能够满足应用需求的时间。由于目前的无线传感器网络大都是由一次性电池对设备进行供电，如何提高电池的利用效率从而延长网络的寿命是无线传感器网络设计和应用中最为重要和最具挑战性的问题之一。已有的延长无线传感器网络寿命的方法集中于解决设备的布置问题，数据的压缩问题，传输路由问题，网络拓扑的管理问题及设备的控制问题。在这些方法中，设备控制技术通过安排设备的工作/休眠时间能够有效地降低设备的能量消耗，达到延长无线传感器网络寿命的目的。例如，设备控制技术可将网络设备划分为若干个互斥子集，并使能够同时保证完全覆盖监测目标和保持网络连通的连通覆盖子集的数目最大。由于每个连通覆盖子集中的设备都足以形成一个新的无线传感器网络并承担目标监视和传递监测数据的任务，这种设备控制技术可以通过令连通覆盖子集轮换工作从而优化无线传感器的网络寿命。

由于必须同时考虑覆盖和连通约束，最大化互斥连通覆盖子集的数目是一个十分困难的问题。实际上，它的子问题：最大化满足覆盖约束的子集数目，已是一个非确定多项式时间难(NP难)问题。目前学界已提出不少方法解决这一子问题。在网络设备的通信半径大于或等于其感应半径的两倍的前提下，这些方法所找到的全覆盖子集能同时满足覆盖监测目标和形成连通网络的约束。但是在前提不成立的情况下，这些方法无法保证无线传感器网络的连通性，它们在实际应用中的鲁棒性因此受到了限制。目前仅有少数方法能够无需前提实现对连通覆盖子集数目的优化，但这些方法都集中于处理由同类设备构成的同构无线传感器网络。在由不同类型的设备构成的异构无线传感器网络中，此项研究尚属空白。与同构无线传感器网络相比，异构无线传感器网络能够提供更多类型的功能并形成更高级的网络拓扑结构，因此也更能适应各种复杂应用的要求。随着异构传感器网络在各领域中的应用越来越广泛，对具有强鲁棒性的异构传感器网络设备控制技术的需求越来越迫切。

目前常用的异构无线传感器网络模型通常包含两种类型的设备：具有感应功能和短距离无线通信功能的传感器及具有长距离无线通信功能和路由功能的数据结点。传感器感应其周围的环境并把感应结果传送到其通信距离内的数据结点。数据结点收集感应结果后，将经过处理的信息经由数据结点形成的网络传递到用户终端。为保证这一异构无线传感器网络的正常工作，网络中的设备需满足以下三个约束：(1)覆盖约束：传感器对监测目标(点或区域)形成全覆盖；(2)数据收集约束：为保证所有传感器的感应结果都被反映给用户终端，集合中每个传感器必须能将其感应结果传送到至少一个数据结点；(3)路由约束：数据结点能够形成连通网络，从而保证任何一个数据结点都能将通过单跳或多跳将信息传送给用户终端。本发明提出的基于蚁群搜索算法的寿命优化技术通过最大化异构无线传感器网络中满足以上三种约束的设备子集数目，达到在完全覆盖监测目标和保持网络连通性的前提下最大化网络寿命的目标。

发明内容：

为了克服现有方法鲁棒性差和无法应用于异构无线传感器网络的问题，本发明基于蚁群搜索算法提出了一种零前提的，能同时保证完全覆盖监测目标和保持网络连通性的，并能同时适用于点覆盖和区域覆盖的异构无线传感器网络的寿命优化技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：