[发明专利]基于网格划分的水下无线传感器网络多维优化节点部署方法

摘要

一种基于网格划分的水下无线传感器网络多维优化节点部署方法，水下传感器网络的节点部署问题中，将所需感知的长方体区域划分成规格为K×M×L的长方体网络，部署节点数量的最小化控制，计算网络覆盖效率的最大值，控制网络传输连通效率最大，控制网络的覆盖冗余度最小，控制网络生存时间尽可能长，求解多目标规划的数学模型可以将多个指标转化为单一目标函数进行计算，获得较优的部署策略。本发明兼顾网络覆盖效率、覆盖冗余度、网络生存时间、节点成本、传输连通效率。

主权项

一种基于网格划分的水下无线传感器网络多维优化节点部署方法，其特征在于：水下传感器网络的节点部署问题中，将所需感知的长方体区域划分成K×M×L的长方体网络，形成(K+1)×(M+1)×(L+1)个格点，将网络中的每一个格点进行标号，基站所在的位置标志为1号，设定在最优化网络节点部署时，传感器节点只能部署在格点；传感器节点都具备一定的覆盖半径Rcov，传感器节点都具备通信半径Rcom，设定所有传感器节点具有相同的覆盖半径与通信半径，且Rcom>Rcov；引入两个0‑1矩阵：覆盖矩阵F＝(fij)N×P与连通矩阵T＝(tij)N×N，矩阵元素含义如下所示：其中，连通矩阵维度N×N为所需探测网络的格点总数，即N＝(K+1)×(M+1)×(L+1)；覆盖矩阵维度N×P为精细划分后的网络格点数量，P＝(K’+1)×(M‘+1)×(L’+1)，P>N；格点位置i与格点位置j的三维坐标分别表示为(xci,yci,zci)与(xcj,ycj,zcj)，覆盖矩阵和连通矩阵的计算方式如下：fij=1,(xci-xcj)2+(yci-ycj)2+(zci-zcj)2≤Rcov0,(xci-xcj)2+(yci-ycj)2+(zci-zcj)2>Rcov]]>tij=1,(xci-xcj)2+(yci-ycj)2+(zci-zcj)2≤Rcom0,(xci-xcj)2+(yci-ycj)2+(zci-zcj)2>Rcom]]>传感器节点采用声纳方式相互通信，节点的能耗包括三部分：发送数据能耗、接受数据能耗、数据融合能耗，节点发送数据能耗Esend、节点接收数据能耗Erec、数据融合的能耗Eintg，三者计算方式如下所示：l表示数据包的长度，Ps表示节点可以接收到单位数据所需的最小功率，d表示发送节点和目的节点之间的距离，Pr是常数，Edate表示数据融合能耗，λ为能量扩散因子，α表示吸收参数，由载波频率f决定，关系如下：10logα=0.11f21+f2+44f24100+f2+2.75×10-4f2+0.003]]>部署节点数量的最小化控制：首先需要考虑节点数量的最小化。引入0‑1决策变量xi用于表述是否在格点位置i部署节点，在指定的某种节点部署方案X下，节点总数指标ZB1(X)计算如下：minZB1(X)=Σi=1Nxi]]>0<ZB1(X)≤N，ZB1(X)＝N意味着区域中的每个格点都部署一个传感器节点；计算网络覆盖效率的最大值：将K×M×L的长方体感知区域划分成K‘×M’×L‘的网格，通过覆盖矩阵F＝(fij)N×P，得到网络中任何一个格点被覆盖的情况FF＝(ffij)N；将覆盖效率定义为感知区域被覆盖格点数与网络格点总数之比，在指定的某种节点部署方案X下，网络覆盖效率指标ZB2(X)表达如下：maxZB2(X)=Σi=1PffiP]]>0<ZB2(X)≤1。ZB2(X)＝1意味着感知区域中的每个格点都可以被覆盖，被网络中的指定传感器节点采集信息；控制网络传输连通效率最大：当传感器节点采集区域信息后，将以节点间多跳传输的形式传递到水面的基站，通过连通矩阵T＝(tij)N×N，得到在指定的某种节点部署方案X下，节点之间的一跳相互连通状况；其中，标号为1的节点为基站，进而得到网络中节点与基站的连通情况TT＝(tti)N，其元素的含义与计算方式如下所示：其中，网络中共有个格点布置传感器节点，连通矩阵T描述了传感器节点两两之间通过一跳连通的状况，而描述了网络中传感器节点两两之间通过跳链路连通的状况；将网络传输连通效率定义为网络中节点能够与基站通信总数与网络节点总数之比，在指定的某种节点部署方案X下，网络连通效率指标ZB3(X)表达如下：maxZB3(X)=Σi=1NttixiΣiNxi]]>0<ZB3(X)≤1。ZB3(X)＝1意味着区域中的每个传感器节点都可以将采集获得的信息传递给基站；控制网络的覆盖冗余度最小：将划分的K‘×M’×L‘的感知区域网格进行分析，通过覆盖矩阵F＝(fij)N×P得到网络中的任何一个格点是否被重复覆盖DF＝(dfij)N的情况；将网络覆盖冗余度定义为网络中被重复覆盖的格点与网络格点总数之比，在指定的某种节点部署方案X下，网络覆盖效率指标ZB4(X)表达如下：maxZB4(X)=Σi=1PdfiP]]>0≤ZB4(X)≤1，ZB4(X)＝0意味着区域中的每个格点仅被一个传感器节点覆盖；控制网络生存时间尽可能长：将生存时间定义为网络中有10％传感器节点由于能量耗尽退出网络的时间，在指定的某种节点部署方案X下，网络生存效率指标ZB5(X)的目标表达如下：max ZB5(X)计算模型如下：ZB1(X)×(1-ZB4(X))maxZB5(X)s.t.ZB2(X)=Σi=1PffiP=100%ZB3(X)=Σi=1NttixiN=100%s.t.ZB2(X)=Σi=1PffiP=100%ZB3(X)=Σi=1NttixiN=100%ZB1(X)×(1-ZB4(X))=opt]]>首先计算上式左边的数学模型，从而获得目标函数ZB1(X)×(1‑ZB4(X))的最优值opt；然后，以此为约束条件计算生存时间的最优值，从而获得较优的部署策略。