[发明专利]一种基于虚拟力导向的传感器网络节能覆盖控制方法

说明书

本发明提供一种基于虚拟力导向的传感器网络节能覆盖控制方法，包括：步骤1、初始化网络参数；步骤2、计算网络初始覆盖率；步骤3、求解网络中每个节点受到的合力步骤4、根据节点受到的合力更新节点坐标；步骤5、判断是否满足以下任一条件：网络达到平衡状态，或循环迭代次数k达到了预设值K；若是输出结果并结束；否则返回到步骤3。本发明实施例的算法能够从网络覆盖率、算法的收敛速率、网络能耗以及网络的能耗均衡性等方面，得到比VFA算法更优的性能。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种基于虚拟力导向的传感器网络节能覆盖控制方法。

背景技术

随着微电子技术和MEMS技术的不断进展，作为信息获取最基本和最重要的技术——传感器技术，也得到了长足发展。传感器网络^[1]就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络节点一般搭载一个或多个传感器，感知物理世界。

传感器网络将抽象的自然信息通过传输网络与人类连接在一起，扩展了人们对自然界的认知方式，提高了人们获取信息的能力。它作为人类和客观世界信息传输的桥梁，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息，越来越受到人们的重视。对于无线传感器网络来说，其覆盖性能直接影响着网络的服务质量，反映了网络节点对被监测区域的监控程度。但是在实际应用中，有很多因素会导致覆盖空洞的产生从而影响网络性能，因此，为了最大化利用传感器节点的感知资源，提高无线传感网络的覆盖质量，对无线传感器网络的覆盖控制策略的研究十分必要。

目前，对传感网络覆盖控制问题的研究相关人员已经提出了不同的方案，例如：

有通过向原来传感器网络增加传感节点的方法实现空洞修复的方法。

有通过移动距离覆盖空洞边缘最近的网络节点来降低空洞面积的方法，也称VHR算法(Vector Based Hole Recovery)，该算法的成立基于一种前提，即在随机分布的无线传感器网络中，传感节点能够进行移动，算法通过GPS导航模块获得节点的位置信息进而确定覆盖空洞附近节点的移动方向，该算法在网络原始覆盖状况的前提下逐步减小覆盖空洞的面积。

有利用Voronoi图划分网络区域对网络节点进行优化迭代从而重新部署传感器节点，实现网络空洞修复的方法。

还有通过将覆盖区域网格化，利用网格的特性唤醒睡眠冗余传感节点或者加入新节点修补区域中没有被覆盖到的网格的方法等等。

但是，传感器网络是一种新型的应用型网络，在不同的应用场景对覆盖控制的要求不同，这也导致每种算法不能完全适应每种场合的需求和覆盖控制标准。因此，对传感器网络覆盖控制的研究仍然十分必要。

虚拟力算法^[2](简称VFA算法)的核心思想是：将网络中的节点假设为质量忽略不计的电荷质点，在一定范围内，每个电荷质点都受到其他节点的作用力，这个作用力分为引力和斥力。受力质点根据受到的合力作用调节自身的坐标位置，直至网络中所有节点受力平衡或者到达优化迭代次数上限时，停止位置调整。VFA算法虽然可以实现节点的自适应调整，提高节点的利用率和网络的覆盖率。但是，现有的VFA算法具有下列缺点：

(1)算法仅考虑了网络节点分布在监测区域内的情况，没有考虑节点在监测区域边界时的情况，在优化过程中会出现节点移出目标区域边界的情况。

(2)在节点的优化调整中，算法只考虑了节点之间的相互作用力，而没有关注节点的初始位置对节点的牵引作用，从而导致节点在移动调整时离开初始位置太远，而引起不必要的节点能量损失。

(3)该算法的目标是增加网络覆盖率，在网络优化过程中，缺少对节点能耗以及网络能量均衡性的考量，影响节点的生存时间。