[发明专利]一种信息物理融合系统下的网关部署方法

说明书

一种信息物理融合系统下的网关部署方法，涉及一种网关部署方法。本发明利用多区间扰动技术克服现有的粒子群优化算法在寻找网关部署时容易陷入局部最优的问题；进一步平衡各网关节点之间的负载，提高网络服务质量。主要步骤：网关粒子初始化、进行粒子飞行计算、更新粒子历史最优位置与粒子全局最优位置、对粒子全局最优位置进行多区间扰动、重复上述步骤直到迭代次数到达最大迭代次数P，粒子全局最优位置p_g所代表的网关位置即为无线传感器网络中网关的最优部署位置坐标。通过多区间扰动粒子群算法求解信息物理融合系统中网关的部署位置，比现有基于粒子群的算法相比，算法的收敛速度提高30％左右，负载平衡水平提高130％，显著提高网络服务质量。

技术领域

本发明涉及一种信息物理融合系统下的网关部署方法。

背景技术

信息物理融合系统(Cyber Physical System,CPS)作为一种新型智能系统，通过计算、通信与控制技术的有机与深度融合，实现计算资源与物理资源的紧密集合与协调，未来的CPS将广泛应用于国防工业和日常生活等诸多领域。CPS是由异构的通信网络、异构的计算系统、异构的控制系统和异质的物理设备构成一个异构分布式系统。

在信息物理融合系统中，无线通信网络作为连接各种传感设备和无线终端的载体，让各种感知数据的无缝获取和用户随时随地访问信息成为可能。通常情况下，无线通信网络中的传感器节点将数据传输到路由器(Wireless Router,WR)后，再通过网关设备(Gateway,GW)接入互联网(Internet)，实现广域网下的信息共享，如图1所示。

由于网络的大部分流量汇聚于网关，离网关较近的节点服务质量较好，而离网关较远的节点服务质量较差，各节点间存在服务质量的不公平性。因此，网关常成为网络性能的瓶颈，其部署合理与否对网络性能有较大的影响。

从数学问题角度上看，信息物理融合系统下的网关部署问题实际上是二维有限平面内的几何K中心问题，寻找网关的最优位置，缩小网关的覆盖半径是信息物理融合系统中网关部署的核心问题之一。此外，由于网关同时需要为多个路由节点提供数据转发服务，容易成为整个系统的网络性能瓶颈，如何有效平衡各个网关节点的负载也是网关部署过程中需要关注的问题之一。

目前，现有的信息物理融合系统下的网关部署方法大多基于遗传算法(GA)和自适应粒子群优化算法(APSO)实现，在寻找网关部署位置时容易陷入局部最优陷阱，导致网关覆盖半径过大，网络服务质量下降；此外，在寻找网关部署方案时，通常不考虑各网关之间的负载平衡，使得网络中出现部分网关节点负载较高，而其它网关节点负载较轻的问题，导致整个网络系统的整体性能下降。

发明内容

本发明提出一种基于多区间扰动粒子群优化的信息物理融合系统下的网关部署方法，利用多区间扰动技术克服现有的粒子群优化算法在寻找网关部署时容易陷入局部最优的问题；同时，在缩小网络覆盖半径的前提下，进一步平衡各网关节点之间的负载，提高网络服务质量。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案如下：

如图1所示，在路由器节点(v₁,v₂,...,v_n)数量为n的无线传感器网络中设置K个网关节点(u₁,u₂,...,u_K)，d(v_i,v_j)表示从节点v_i路由到v_j所需要的最小跳数，最短距离矩阵可由Floyd算法求得。