[发明专利]基于二进制粒子群算法的无线传感器网络节点分层调度方法

说明书

技术领域：

本发明涉及无线传感器网络和计算智能两大领域，具体涉及一种基于二进制粒子群算法的无线传感器网络节点分层调度方法。

技术背景：

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是一项新兴的技术并且已经成为了当今社会热门而富有挑战性的研究领域。在众多应用领域，例如战场监视，动物栖息地监测，环境观察，家庭健康呵护等，需要对现场进行全方位的监控。但是在很多情况下，这些应用的环境通常都不是非常友好，甚至是恶劣的，因此一般很难通过精确部署的方式在需要监测的区域内布置传感器节点，并且很难在确定的位置部署传感器。在这种情况下，一般的解决方法是通过在被监测区域随机投放大量的传感器节点，通过冗余覆盖的方式保证被监控区域的完全覆盖。然而，大量的传感器节点可能会由于节点之间的通信干扰而导致节点寿命减少，因此研究如何有效地对无线传感器网络的传感器节点进行调度，节省网络能耗，延长网络寿命，已经成为了无线传感器网络领域一个重要的研究课题。

在现有的很多研究中，已经出现了将延长网络使用寿命节省能源的问题转化为最佳覆盖问题的技术。最佳覆盖问题解决技术的出发点在于：鉴于网络中存在大量冗余的传感器节点，通过关闭一部分多余的节点，在剩余被激活的节点满足对监视区域的完全覆盖的前提下，可以节约能源，延长网络寿命。最佳覆盖问题的目标在于找到一个满足对监控区域完全覆盖的最少数量的节点子集。这样，可以在满足全范围覆盖需求的前提下关闭其他的多余的节点，不但可以节省由节点冲突或者邻近交流而引发的能源消耗，而且由于能够将部分节点处于休眠状态，同样可以节省能耗。

虽然最佳覆盖问题可以在一定程度上节省网络的能耗，延长网络寿命，但是如果能够在最佳覆盖问题的解决技术上更进一步，将可以更加有效地延长网络的寿命。本发明的基本出发点在于：通过对最佳覆盖问题的解决，找到能够对监视区域完全覆盖的最少节点数量的子集；通过不断解决最佳覆盖问题，可以找到尽可能多的可以满足对监视区域完全覆盖的多个子集；这些子集形成了无线传感器网络的多个层次，这些不同的节点层进行轮流的调度，将可以直观而有效地延长网络的寿命。因此，本发明解决的问题是无线传感器网络的节点分层调度问题。

为了解决无线传感器网络的最优分层调度，本发明采用了一种二进制的粒子群算法。二进制粒子群算法属于计算智能领域的一种具有全局搜索能力的优化算法。虽然粒子群算法由于其概念简单、流程简洁而被广泛应用于多个领域的优化问题中，但是这种优化算法存在一个缺陷就是容易落入具备最优。因此，在本发明中，在采用二进制粒子群算法对无线传感器网络的节点进行分层调度优化的时候，将结合问题的特点设计一个基于反转策略的变异算子，用于增强算法的多样性，避免算法容易落入局部最优的缺陷。

在本发明中，针对无线传感器网络中存在的大量的冗余传感器节点，循环使用二进制粒子群算法，在每次循环中寻找网络中的最优传感器节点子集(满足对监视区域完全覆盖的最少数量的传感器节点子集)。该方法将二进制粒子群算法的粒子编码为长度等于传感器节点数量的0/1二进制串，1表示选择该节点进入子集，0表示不选择；通过二进制粒子群算法的更新公式和一种反转策略的变异方法，实现在满足网络完全覆盖前提下的节点子集传感器数量的最小化。通过不断调用“最优节点子集传感器数量最小化的方法”，将网络中的节点划分为尽可能多的不相交子集，进而解决了网络节点分层调度的优化问题。本发明设计的变异操作能够增强算法多样性，避免算法容易落入局部最优的缺陷。结合变异操作，本发明使用的二进制粒子群算法能够高效地对无线传感器网络的节点进行最大化的分层优化调度，对延长网络寿命有重要的作用。

发明内容：

本发明将二进制粒子群算法用于无线传感器网络的节点分层调度中，具体的内容步骤介绍如下：

(1)对于给定的网络Netw，设置其最大层数K＝0，然后检查网络中的传感器节点集S是否能够对网络区域100％覆盖。如果能，则进行以下的步骤；如果不能，则输出最大可分层数K＝0，终止程序。

(2)使用二进制粒子群算法从网络Netw的传感器节点集S中找出一组能够对网络区域进行100％覆盖的最优节点子集S*，具体的流程如下：