[发明专利]基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言涉及一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统。

背景技术

无线传感网中的节点一般有成本较低，节点能量有限，探测和通信距离有限，一次布撒后很少进行人工干预等特点。在军事领域的应用中，有时为了探测敌情的需要，要把传感器节点布置在敌方一侧，或者是距离敌方要害部门较近的地方，这时不宜采用人工布撒的方式，只能采用飞机或导弹布撒的方式。采用非人工布撒的方式虽然速度较快，效率也比较高，但是布撒过程中容易出现节点分布不均匀，以至于监测区域不能被有效覆盖的情况，这就需要对无线传感网覆盖的优化问题做深入的研究。

解决非人工布撒传感网节点时容易出现的节点分布不均匀，使得监测区域不能被有效覆盖的问题主要有两种思路：一种是对监测区域实现饱和布撒，即用远远超过正常数量的大量传感器布撒到监测区域；另一种是用有限数量的节点对监测区域进行布撒，布撒后的节点采用一定的机制实现所有节点的定位，通过无线网络返回给用户终端所有节点的坐标，用户终端根据收集的节点位置信息，按照集中式或分布式方式，采用一定的算法调整各节点位置，将节点的位置调整信息分发给各节点，最终在节点有一定移动能力的前提下，实现节点位置更新和网络覆盖率优化的效果。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法与系统，旨在解决传感器节点布撒时的过于集中和过于分散的问题，同时实现针对特定区域随机布撒传感器节点覆盖后的优化。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化方法，其实现包括以下步骤：

步骤1、通过输入设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离；

步骤2、使用随机数矩阵生成方式实现无线传感器在监测区域范围内的布撒，形成节点分布图；

步骤3、确定所有无线传感器节点的坐标值，并根据节点坐标逐个计算各节点与其余各节点之间距离，存储前述节点坐标值及节点间距离至一节点坐标矩阵；

步骤4、根据节点间距离值计算各节点的受力情况，包括斥力和引力；

步骤5、判断节点移动是否满足约束条件：如果是，则以当前的节点坐标矩阵作为节点位置数据输出；否则，进入下述步骤6；

步骤6、判断节点位置与监测区域范围的边界之间的距离是否超过一距离阈值：如果未超过距离阈值，则使节点受力后按照其所受斥力或引力的方向和大小移动，且每次移动的距离为0.1m，然后返回步骤3；如果超过该距离阈值，则使节点停止向监测区域范围的边界方向的移动，并回弹设定的第二距离阈值，然后返回步骤3。

进一步的实施例中，前述步骤4中，节点受力的计算，包括以下步骤：

以下述公式计算引力y_引力(x)和斥力y_斥力(x)：

其中，x为节点间的距离，d_bal为节点间的平衡距离，d_max＝4r，r为前述设定的传感器的探测距离。

进一步的实施例中，前述方法更包含以下步骤：

设定前述节点间的平衡距离d_bal：

其中，r为前述设定的传感器的探测距离。

进一步的实施例中，前述方法更包含以下步骤：

设定节点移动的约束条件，即节点的受力平衡或者达到预设的移动次数。

根据本发明的公开，还提出一种基于虚拟力算法的无线传感网覆盖优化系统，包括第一模块、第二模块、第三模块、第四模块、第五模块以及第六模块，其中：

用于通过输入设定无线传感网的监测区域范围、传感器的探测距离的第一模块；

用于使用随机数矩阵生成方式实现无线传感器在监测区域范围内的布撒形成节点分布图的第二模块；

用于确定所有无线传感器节点的坐标值，并基于节点坐标逐个计算各节点与其余各节点之间距离，以及存储前述节点坐标值及节点间距离至一节点坐标矩阵的第三模块；

用于根据节点间距离值计算各节点的受力情况的第四模块，前述节点的受力情况包括斥力和引力；

用于判断节点移动是否满足约束条件并执行相应处理的第五模块：如果满足约束条件，则以当前的节点坐标矩阵作为节点位置数据输出；如果不满足约束条件，则控制所述第六模块执行相应处理；