[发明专利]一种分层异构无线传感器网络三维优化部署方法

说明书

本发明提供一种分层异构无线传感器网络三维优化部署方法，包括获取无线传感器布置区域，并将该区域进行网格离散化处理，且进一步在网格离散化处理后的区域中部署相应的感知节点，以及设定三种类型障碍物及每一种类型障碍物对应的信号衰减值；将汇聚节点的位置坐标以及功率均设置为计算变量；采用自适应果蝇优化算法对汇聚节点的位置坐标以及功率进行寻优求解，得到汇聚层节点最小的总功率以及相应的位置。实施本发明，能在保证汇聚层节点能够对全部感知层节点有效关联的前提下，降低汇聚层节点的总功率。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种分层异构无线传感器网络三维优化部署方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知外界温度、湿度、噪声、光强度、压力等多种信息的传感器，并最终通过传感网络把这些信息发送给网络的所有者。由于无线传感器网络具有可快速部署、组网高效、隐蔽性强和高容错性的特点，因此在国防军事、农业生产、环境监测、医疗卫生、智能交通、空间探索等多数领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。但是，当网络规模过大时，由于单个节点的数据承载能力有限，使自组织的传感网络稳定性较差，导致进行大规模的无线传感器网络的部署时通常采用分层架构。

如图1所示，无线传感器网络的分层架构主要由感知层和汇聚层组成，感知层节点主要负责信息的采集，汇聚层节点主要负责与感知层节点关联并将感知层节点的数据进行汇聚然后转发到上层网络中。由于汇聚层节点关联着网络中所有的感知层节点，其拓扑对整个网络的性能具有很大的影响，而且在实际的无线传感器网络应用场景中，经常会因节点的感知、通信、计算等能力的差别而形成异构网络。由此可见，无线传感器网络中节点的异构化会改变网络拓扑，从而对网络性能产生影响。

汇聚层节点拓扑优化工作已经成为近些年来的一个研究热点。例如，在2018年，张军、邵晓倩、侯向丹提出了一种对固定节点进行Voronoi多边形划分然后利用划分结果分析固定节点的覆盖盲区再使用基于反向学习策略的蜂群算法进行优化部署移动节点的方案。又如，2018年，孙子文、申栋两位学者将Pareto多目标优化策略引入到无线传感器网络节点的部署中，设计出了一种多目标安全优化部署方案。又如，在对三维的无线网络传感器部署的研究方面，C.Liu、Z.Zhao、W.Qu、T.Qiu、Sangaiah,A.K.等人针对三维水下无线传感器网络覆盖问题，利用锚节点的移动受力分析优化节点分布，使得在水下的部署的无线传感器网络运行更加稳定。又如，学者Awad,F.H.则对中继节点部署进行了研究，利用高斯分布对无线多媒体传感器网络中继节点的部署问题进行优化研究。又如，Anvesha Katti和D.K.Lobiyal研究了一种棱柱部署、棱锥部署、立方体部署和六角棱柱部署相结合的无线传感器节点的三维部署算法。

同时，在实际的无线传感器网络应用场景中，经常会因节点的感知、通信、计算等能力的差别而形成异构网络。为此，针对异构无线传感器网络的拓扑优化进行了研究。例如，2012年，王力立、徐志良、吴晓蓓、黄成等人就讨论了因节点覆盖半径不同而形成的感知能力异构无线传感器网络的优化部署。又如，2017年，M.Awais Khan,N.Javaid,Z.Wadud,S.Gull,M.Imran和K.Nasr根据各个节点的能量水平不同而将其划分为高能量级与低能量级节点，并通过交叉的部署和传输策略的优化有效的延长了能量异构的传感器网络的寿命，同时还有高皎姣等学者通过向无线传感器网络中引入一部分较其它节点,在电源、传输带宽、计算能力、存储空间等方面存在明显的优势的高性能异构节点来提升无线传感器网络的数据传输能力。

但是，上述针对汇聚层节点和异构无线传感器网络的拓扑优化均存在缺点及不足，要么无法保证汇聚层节点能够对全部感知层节点有效关联，要么汇聚层节点消耗的功率较高，因此亟需一种分层异构无线传感器网络优化方法，能在保证汇聚层节点能够对全部感知层节点有效关联的前提下，降低汇聚层节点的总功率。

发明内容