无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，其中包括：建立移动路径选择优化模型；初始化参数和每一个种群的每一个染色体；计算每一个种群中每一个染色体的适应度值；将不具有全局最优染色体的所有种群中最差染色体替换为全局最优染色体；种群i进行MR次选择和交叉操作；种群i的MR个染色体都进行变异判断和操作；采用最近邻算法寻找能遍历经过不在该染色体中网格的最短路径；如果染色体中下一个元素不是前一个元素的邻居网格，采用从当前网格到目标网格的路径寻找方法，更新染色体；根据i和re的值，输出移动传感节点的最优移动路径。本发明专利技术能够在保证区域全覆盖的前提下提高数据传输率，降低数据传输时延和丢弃数据的总量。

【技术实现步骤摘要】
无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及无线传感网
，具体是指一种无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法。
技术介绍
近几年，我国地震、危险品爆炸等重大自然或事故灾害频发，造成大量的建筑物倒塌和人员伤亡。由于我国人口密度大、房屋及工程设施抗震性能差、救援方面的科学技术落后等原因，我国的重大自然或事故灾害死亡人数和其他国家的差距较大。生命探测仪、废墟表面搜索机器人和狭小缝隙搜索机器人需要救援人员到达现场进行操作。当交通受阻、人力不足、救援现场环境恶劣(如余震不断、存在有毒气体)等原因造成救援人员无法第一时间携带这些设备抵达受灾区域时，这些设备就无法发挥作用，因此迫切需要一种技术手段——无线传感网技术。当救援人员无法第一时间携带这些设备抵达受灾区域时，探测设备自主感知、移动和通信，从而采集受困人员的信息，为以后救援人员进入受灾现场提供相关数据和建议。但是目前传统静态无线传感网适用于火山地震、森林火灾、土壤环境等对象的实时长期监测。由于重大灾难的受灾区域面积大、大规模部署时系统成本高等原因，因此静态传感网不适用于短期使用的重大灾难现场紧急救援，需要考虑移动无线传感网(mobilewirelesssensornetworks,MWSNs)。移动无线传感网中部分或全部节点除了具有传统静态节点的传感、计算和通信能力外,还具有一定的机动能力。在移动传感网中需要考虑移动传感节点的移动路径选择问题，尽可能提高区域覆盖率。同时在保证区域覆盖率的前提下，需要提高移动传感节点的数据传输率，降低到Sink节点的数据传输时延。因此一些学者研究移动传感节点的移动路径选择方法，并取得一定的成果。如王荔豪等人针对高超声速飞行器，考虑有限转弯半径约束和最短飞行路径约束，提出一种基于Dubins曲线的高超声速飞行器路径规划算法。陆亮等人在三维空间上寻找路径，在该路径上分解关键位置，并在A＊算法的基础上提出三维路径规划算法。AlbertA等人利用无人机跟踪冰山的位置和移动方向，建立飞行器移动轮数最大和移动路程最小的优化模型，并采用CPLEX求解器获得最优方案。GuillermoF等人考虑障碍物的3D结构，根据高度分成多个层，并在每一个层上确定可停留位置。提出近似3D欧几里德最短路径算法寻找到目的地址的最短路径。ChenY等人提出路径长度、高度方差和路径光滑度的评价函数，建立最小优化模型，并采用改进的中心力优化算法求解优化模型，获得最优解。HungL等人将监测区域分成多个移动监测的普通六边形网格和实时监测的关键六边形网格，提出了移动传感节点的移动策略(temporalcoveragemechanismfordistinctquality，TCM)避开关键节点的网格。综上所述，目前移动传感节点的感知路径选择方法没有考虑多个节点协同感知问题和数据传输问题，且每个设备需要获知监测区域内障碍物等物体的位置和形状，这在实际应用中较难实现且需要增加较大的成本。
技术实现思路
本专利技术为了解决以上技术问题，提供一种无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法。该方法建立和求解保证区域覆盖率下的移动路径选择优化模型，获得移动传感节点的最优移动路径，从而能够在保证区域全覆盖的前提下提高数据传输率，降低数据传输时延和丢弃数据的总量。为了实现上述目的，本专利技术具有如下构成：该无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，包括如下步骤：(1)将监测区域分成大小一致的六边形网格，并根据从左到右，从上到下的原则对每一个六边形网格进行编码，令grid(v,w)表示从左开始计数的第v列中从下到上开始计数的第w个六边形网格，建立权衡数据传输时延、数据传输率和节点平均能耗的移动路径选择优化模型；(2)初始化种群个数MZ和种群染色体个数MR，初始化每一个种群的每一个染色体的迭代次数re、每一个种群的选择因子Pic和变异因子Piy，且令i＝1，re＝1；(3)计算每一个种群中每一个染色体的适应度值,在每一个种群中根据染色体的适应度值排序，选出每一个种群中适应度值最大的染色体和所有种群的全局最优染色体；(4)将不具有全局最优染色体的所有种群中最差染色体替换为全局最优染色体；(5)种群i进行MR次选择和交叉操作；(6)种群i的MR个染色体均进行变异判断和操作；(7)判断种群i的每一个染色体中是否存在相同元素，如果染色体中存在相同的元素，删除重复元素，采用最近邻算法寻找能遍历经过不在该染色体中网格的最短路径；(8)判断染色体是否全覆盖监测区域，如果染色体没有全覆盖监测区域，寻找未覆盖且不存在障碍物的网格元素，将其加入到使其移动路程增幅最小的移动传感节点路径，获得能全覆盖监测区域的染色体；(9)如果染色体中下一个元素不是前一个元素的邻居网格，采用从当前网格到目标网格的路径寻找方法，寻找两者间移动路径，更新染色体；(10)如果染色体中存在障碍物的网格，删除该网格，添加可绕过该网格的邻居网格，更新染色体；(11)i＝i+1，如果i小于等于MZ，继续步骤(5)，否则，re＝re+1，i＝1，继续步骤(12)；(12)如果re小于等于Repeat，继续步骤(3)，否则，结束算法，输出所有种群的最优染色体，即移动传感节点的最优移动路径。可选地，所述步骤(1)中移动路径选择优化模型的建立方法如下：(1-1)令Pi表示移动传感节点i的移动路径，是网格中心位置的集合，且其中pi,j表示移动传感节点i的第j个停留位置，且表示网格grid(v,w)的中心位置，Ni表示移动传感节点i的移动路径中停留位置个数，令集合Pi中除初始位置的其他所有位置需是上一时刻位置的邻居网格中心，则集合位置约束表示为：pi,j+1∈Hv,w,j＝1,2,...,Ni-1(1)其中，Hv,w表示网格grid(v,w)的邻居网格中心集合，令θv,w表示网格grid(v,w)中是否存在障碍物的指示符，如果为1，则表示存在障碍物，否则不存在障碍物，且令移动传感节点的停留位置为网格grid(v,w)的中心位置，继续步骤(1-2)；(1-2)令m表示监测区域内第一行的网格数量，n表示监测区域内第一列的网格数量，表示不考虑障碍物情况下网格grid(v,w)的邻居网格中心集合，根据网格中心的位置分布，计算每一个网格中心的邻居网格中心集合；(1-3)令每一个传感节点的移动路径中所有停留位置不相同，则停留位置不重复约束表示为：k且j≠k(3)(1-4)令表示grid(v,w)是否被移动传感节点i覆盖或存在障碍物的指示符，表示为：其中，当时，表示grid(v,w)已被移动传感节点覆盖或存在障碍物，当时，表示未覆盖，令被所有移动传感节点覆盖的网格个数为：其中，NC表示被所有移动传感节点覆盖的网格个数；令区域覆盖率C为：C＝NC/NG(6)其中，NG表示监测区域内不存在障碍物的网格总数量；(1-5)令当前时刻数据传输时延估计值为其中，Daverage(t)表示当前时刻t的数据传输时延估计值，表示成功送到汇聚节点的数据包a的数据传输时延，TbD表示存储在移动传感节点或丢弃的数据包b的产生时刻，Np表示经过时间t后，移动传感节点产生的数据包总量；(1-6)令由感知数据的无线通信能耗和节点移动能耗两部分组成的移动传感节点能耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将监测区域分成大小一致的六边形网格，并根据从左到右，从上到下的原则对每一个六边形网格进行编码，令grid(v,w)表示从左开始计数的第v列中从下到上开始计数的第w个六边形网格，建立权衡数据传输时延、数据传输率和节点平均能耗的移动路径选择优化模型；(2)初始化种群个数MZ和种群染色体个数MR，初始化每一个种群的每一个染色体的迭代次数re、每一个种群的选择因子Pic和变异因子Piy，且令i＝1，re＝1；(3)计算每一个种群中每一个染色体的适应度值，在每一个种群中根据染色体的适应度值排序，选出每一个种群中适应度值最大的染色体和所有种群的全局最优染色体；(4)将不具有全局最优染色体的所有种群中最差染色体替换为全局最优染色体；(5)种群i进行MR次选择和交叉操作；(6)种群i的MR个染色体均进行变异判断和操作；(7)判断种群i的每一个染色体中是否存在相同元素，如果染色体中存在相同的元素，删除重复元素，采用最近邻算法寻找能遍历经过不在该染色体中网格的最短路径；(8)判断染色体是否全覆盖监测区域，如果染色体没有全覆盖监测区域，寻找未覆盖且不存在障碍物的网格元素，将其加入到使其移动路程增幅最小的移动传感节点路径，获得能全覆盖监测区域的染色体；(9)如果染色体中下一个元素不是前一个元素的邻居网格，采用从当前网格到目标网格的路径寻找方法，寻找两者间移动路径，更新染色体；(10)如果染色体中存在障碍物的网格，删除该网格，添加可绕过该网格的邻居网格，更新染色体；(11)i＝i+1，如果i小于等于MZ，继续步骤(5)，否则，re＝re+1，i＝1，继续步骤(12)；(12)如果re小于等于Repeat，继续步骤(3)，否则，结束算法，输出所有种群的最优染色体，即移动传感节点的最优移动路径。...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将监测区域分成大小一致的六边形网格，并根据从左到右，从上到下的原则对每一个六边形网格进行编码，令grid(v,w)表示从左开始计数的第v列中从下到上开始计数的第w个六边形网格，建立权衡数据传输时延、数据传输率和节点平均能耗的移动路径选择优化模型；(2)初始化种群个数MZ和种群染色体个数MR，初始化每一个种群的每一个染色体的迭代次数re、每一个种群的选择因子Pic和变异因子Piy，且令i＝1，re＝1；(3)计算每一个种群中每一个染色体的适应度值，在每一个种群中根据染色体的适应度值排序，选出每一个种群中适应度值最大的染色体和所有种群的全局最优染色体；(4)将不具有全局最优染色体的所有种群中最差染色体替换为全局最优染色体；(5)种群i进行MR次选择和交叉操作；(6)种群i的MR个染色体均进行变异判断和操作；(7)判断种群i的每一个染色体中是否存在相同元素，如果染色体中存在相同的元素，删除重复元素，采用最近邻算法寻找能遍历经过不在该染色体中网格的最短路径；(8)判断染色体是否全覆盖监测区域，如果染色体没有全覆盖监测区域，寻找未覆盖且不存在障碍物的网格元素，将其加入到使其移动路程增幅最小的移动传感节点路径，获得能全覆盖监测区域的染色体；(9)如果染色体中下一个元素不是前一个元素的邻居网格，采用从当前网格到目标网格的路径寻找方法，寻找两者间移动路径，更新染色体；(10)如果染色体中存在障碍物的网格，删除该网格，添加可绕过该网格的邻居网格，更新染色体；(11)i＝i+1，如果i小于等于MZ，继续步骤(5)，否则，re＝re+1，i＝1，继续步骤(12)；(12)如果re小于等于Repeat，继续步骤(3)，否则，结束算法，输出所有种群的最优染色体，即移动传感节点的最优移动路径。2.根据权利要求1所述的无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，其特征在于，所述步骤(1)中移动路径选择优化模型的建立方法如下：(1-1)令Pi表示移动传感节点i的移动路径，是网格中心位置的集合，且其中pi,j表示移动传感节点i的第j个停留位置，且表示网格grid(v,w)的中心位置，Ni表示移动传感节点i的移动路径中停留位置个数，令集合Pi中除初始位置的其他所有位置需是上一时刻位置的邻居网格中心，则集合位置约束表示为：pi,j+1∈Hv,w,j＝1,2,...,Ni-1(1)其中，Hv,w表示网格grid(v,w)的邻居网格中心集合，令θv,w表示网格grid(v,w)中是否存在障碍物的指示符，如果为1，则表示存在障碍物，否则不存在障碍物，且令移动传感节点的停留位置为网格grid(v,w)的中心位置，继续步骤(1-2)；(1-2)令m表示监测区域内第一行的网格数量，n表示监测区域内第一列的网格数量，表示不考虑障碍物情况下网格grid(v,w)的邻居网格中心集合，根据网格中心的位置分布，计算每一个网格中心的邻居网格中心集合；(1-3)令每一个传感节点的移动路径中所有停留位置不相同，则停留位置不重复约束表示为：(1-4)令表示grid(v,w)是否被移动传感节点i覆盖或存在障碍物的指示符，表示为：其中，当时，表示grid(v,w)已被移动传感节点覆盖或存在障碍物，当时，表示未覆盖，令被所有移动传感节点覆盖的网格个数为：其中，NC表示被所有移动传感节点覆盖的网格个数；令区域覆盖率C为：C＝NC/NG(6)其中，NG表示监测区域内不存在障碍物的网格总数量；(1-5)令当前时刻数据传输时延估计值为其中，Daverage(t)表示当前时刻t的数据传输时延估计值，表示成功送到汇聚节点的数据包a的数据传输时延，TbD表示存储在移动传感节点或丢弃的数据包b的产生时刻，Np表示经过时间t后，移动传感节点产生的数据包总量；(1-6)令由感知数据的无线通信能耗和节点移动能耗两部分组成的移动传感节点能耗表示为：其中，Fij表示移动传感节点i发送给移动传感节点j的数据量，Eelec表示无线收发单位比特数据时电路的电子能耗，εfs表示放大单位比特信号时信号放大器的电子能耗，dij表示移动传感节点i和移动传感节点j之间的距离，Ji表示移动传感节点i的接收数据总量，εmove表示移动传感节点的移动能耗因子，di表示移动传感节点i的移动总距离，则令平均节点能耗Eaverage表示为：其中，Ns表示移动传感节点个数；(1-7)结合公式(1)至(9)建立移动路径选择优化模型如下：min(x1Daverage/Dyu+x2/Trate+x3Eaverage/Eyu)(10)s.t.C＝100％(10.1)其中，Dyu表示数据传输时延阈值，Eyu表示平均节点能耗阈值，x1表示数据传输时延权重因子，x2表示数据传输率权重因子，x3表示平均节点能耗权重因子，且x1+x2+x3＝1。3.根据权利要求2所述的无线传感网的移动传感节点感知路径选择方法，其特征在于，(1-2)中每一个网格中心的邻居网格中心集合的计算方法如下：(1-2-1)初始化v＝1，w＝1；(1-2-2)如果v＝1且w＝1时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-3)；(1-2-3)如果v＝1且w＝n时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-4)；(1-2-4)如果v＝1且1<w<n-1时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-5)；(1-2-5)如果v＝m，w＝1且v是奇数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-6)；(1-2-6)如果v＝m，w＝n且v是奇数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-7)；(1-2-7)如果v＝m，1<w<n且v是奇数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-8)；(1-2-8)如果v＝m，w＝1且v是偶数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-9)；(1-2-9)如果v＝m，w＝n+1且v是偶数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-10)；(1-2-10)如果v＝m，1<w<n+1且v是偶数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-11)；(1-2-11)如果w＝1，1<v<m且v是偶数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-12)；(1-2-12)如果w＝1，1<v<m且v是奇数时，继续步骤(1-2-17)，否则继续步骤(1-2-13)；(1-2-13)如果w＝n+1，1<v<m且v是偶数时，继续步骤(1-2-17)，否...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友荣，陆思一，刘半藤，杨海波，苏子漪，许森，祝云凯，
申请(专利权)人：浙江树人学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33