一種基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略的制作方法
【專利摘要】一種基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的能量空洞問題，構(gòu)建能量空洞問題分析模型，提出一種基于免疫克隆選擇的功率控制策略，該策略使用免疫克隆選擇算法求解初始轉(zhuǎn)發(fā)向量，并在網(wǎng)絡(luò)的運行過程中對轉(zhuǎn)發(fā)向量進行動態(tài)調(diào)整，從而利用外部圓環(huán)的加倍能量付出換來內(nèi)部圓環(huán)的能量節(jié)省，并使得各圓環(huán)能耗速率趨近一致，緩解網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。從而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題提供了一種新的解決思路。
【專利說明】一種基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感領(lǐng)域，具體涉及無線三維傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳感器技術(shù)及低功耗無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場敵情 監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。受傳感器節(jié)點成本和體積的限制， 其大多采用的電池提供能量，能量受限。由于工作環(huán)境復(fù)雜，對節(jié)點進行電池更換和能量補 充十分困難。因此，提高節(jié)點的能耗效率成為延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要手段。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，數(shù)據(jù)流遵循 多對一的模式。離匯聚節(jié)點較近的節(jié)點不但要發(fā)送自身的采集數(shù)據(jù)，還要承擔外部節(jié)點的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，能量消耗較快，最終會導致匯聚節(jié)點周圍的節(jié)點能量過早耗盡，容易形成 "能量空洞"區(qū)域，造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。
[0004]考慮到功率控制技術(shù)作為當前主要的拓撲控制策略之一，其對網(wǎng)絡(luò)的能量效率、 網(wǎng)絡(luò)容量、吞吐量等具有顯著影響，本發(fā)明提出了一種基于免疫克隆選擇的功率控制策略 以緩解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題。
[0005]文獻"一種對抗能量空洞的傳感網(wǎng)協(xié)作通信方法"（申請?zhí)枺篊N201210289489)公 開了一種對抗能量空洞的傳感網(wǎng)協(xié)作通信方法，如圖1所示。首先將傳感網(wǎng)的區(qū)域劃分為 多個同心圓環(huán)區(qū)域，相鄰?fù)膱A節(jié)點間的進行協(xié)作通信，具體包括以下步驟：首先源節(jié)點發(fā) 出請求發(fā)送幀信息給目的節(jié)點；然后源節(jié)點進入監(jiān)聽狀態(tài)，在規(guī)定時間內(nèi)若收到允許發(fā)送 中貞信息，則源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀；若沒有收到允許發(fā)送幀信息，則源節(jié)點以翻倍功 率繼續(xù)發(fā)送請求發(fā)送幀給目的節(jié)點；若在規(guī)定時間內(nèi)收到協(xié)作要求幀信息，則源節(jié)點遂向 發(fā)送協(xié)作要求幀的發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，該發(fā)送節(jié)點將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點；最后源節(jié) 點轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待目的節(jié)點協(xié)作通信完成。該文獻是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞問 題的一種協(xié)作通信方法，能充分有效的利用有限的計算和存儲資源，并且各節(jié)點間協(xié)作通 信能有效抵抗無線信道衰落的影響。該技術(shù)的不足是,不能充分且均衡的利用網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi) 所有節(jié)點的能量，使網(wǎng)絡(luò)生命周期得到更大程度的延長。
[0006]文獻(_申請?zhí)枺篊N201310296481)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命及能量空洞計算 方法，如圖2所示，所有傳感器節(jié)點隨機部署在sink節(jié)點的周圍，并周期性將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過 多跳方式發(fā)送到sink節(jié)點。本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命及能量空洞計算 方法，、它涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。此計算方法包括，丨、從理論上得到了網(wǎng)絡(luò)從開始運 行，然后第一個節(jié)點死亡，死亡節(jié)點不斷增多，再到網(wǎng)絡(luò)失效的整個網(wǎng)絡(luò)生命周期中，每個 節(jié)點承擔的數(shù)據(jù)量、能量消耗、與生存壽命的計算方法,并給出了計算結(jié)果； 2、從空間上分 析給出了網(wǎng)絡(luò)能量空洞空間位置與發(fā)展變化情況；3、依據(jù)理論分析結(jié)果，得到在最優(yōu)節(jié)點 發(fā)^半徑r求解算法及任意網(wǎng)絡(luò)壽命的上界與能量空洞邊界計算方法。該文獻針對無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞問題，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命及能量空洞計算方法，但是 并未提出任何有效的避免或者緩解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞問題的手段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題和當前技術(shù)的不足，提供了一種 基于免疫克隆選擇的功率控制策略，為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題提供新的解決 思路。。
[000S]技術(shù)方案：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的能量空洞問題，構(gòu)建能量空洞問題分析 模型，提出一種基于免疫克隆選擇的功率控制策略，該策略使用免疫克隆選擇算法求解初 始轉(zhuǎn)發(fā)向量，并在網(wǎng)絡(luò)的運行過程中對轉(zhuǎn)發(fā)向量進行動態(tài)調(diào)整，從而利用外部圓環(huán)的加倍 能量付出換來內(nèi)部圓環(huán)的能量節(jié)省，并使得各圓環(huán)能耗速率趨近一致，緩解網(wǎng)絡(luò)的能量空 洞問題，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。從而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題提供了一種新的 解決思路。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下能量空洞分析模型：
[0009]如圖3所示為三維球型空間區(qū)域的截面圖，傳感器節(jié)點均勻分布在圓形區(qū)域中， 匯聚節(jié)點位于該圓形區(qū)域的圓心位置，將該圓形區(qū)域劃分為n個寬度相等均為r的圓環(huán)，由 內(nèi)向外依次為(： 1，(：2，(：3，...，(：11。
[0010]為了對網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題進行分析，本發(fā)明引入圓環(huán)能耗速率（圓環(huán)內(nèi)節(jié)點單 位時間內(nèi)的平均能耗）作為能量空洞分析模型，圓環(huán)Ci的能耗速率Vi為：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略，其特征在于，引入圓環(huán)能耗速 率即圓環(huán)內(nèi)節(jié)點單位時間內(nèi)的平均能耗作為能量空洞分析模型，圓環(huán)Ci的能耗速率Vi為：
上式中AEi表示圓環(huán)Ci內(nèi)所有節(jié)點在時間t內(nèi)的總能量消耗，PIroras 及平均發(fā)送功率；該方案包括初始化和網(wǎng)絡(luò)運行兩個階段，初始化階段主要完成網(wǎng)絡(luò)模型 的建立和初始轉(zhuǎn)發(fā)向量即各圓環(huán)內(nèi)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)半徑所組成的向量的求解工作，初始化階段的 主要工作是由具有較強計算能力和通信能力的匯聚節(jié)點完成的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略，其特征在 于，初始化階段匯聚節(jié)點主要工作步驟如下： 步驟一：匯聚節(jié)點首先采用不同的發(fā)射功率等級（對應(yīng)發(fā)射半徑分別為ir，ie[l，n])進行廣播，將監(jiān)測區(qū)域劃分為n個寬度為r的圓環(huán)，廣播消息中包含發(fā)射功 率等級字段i，節(jié)點對匯聚節(jié)點的發(fā)射功率等級以及接收信號強度s進行記錄（只記錄第一 次）；然后，匯聚節(jié)點采用定向廣播技術(shù)將監(jiān)測區(qū)域劃分為m個扇狀區(qū)域，廣播消息中包含 廣播角度信息9，節(jié)點對接收廣播消息中的角度進行記錄；這樣，監(jiān)測區(qū)域被劃分為n*m個 扇環(huán)，每個扇環(huán)可以用二元組（i，0 )表示，每個節(jié)點可以用三元組（i，0，id)來表示； 步驟二：將每個扇環(huán)區(qū)域作為一個簇，在每個簇中選出簇頭節(jié)點，記為 (i，0 ,head)，并令5=0，簇頭節(jié)點滿足條件：對于該扇環(huán)區(qū)域內(nèi)其它任意節(jié)點 (i，0，other)，均有（ehead，shead，idhead)〉（eother，sother，idother)，艮P(ehead〉eother)V((ehead - eother)八（shead>sother))V((e head?other^ ^^head^other)八（idhead〉idQther)，其中e表不 節(jié)點的剩余能量，s表示節(jié)點接收信號強度。簇頭節(jié)點不僅負責收集簇內(nèi)成員節(jié)點的信息 并進行數(shù)據(jù)融合，還要負責轉(zhuǎn)發(fā)本簇及外部扇環(huán)簇的采集數(shù)據(jù)； 步驟三：采用免疫克隆選擇算法計算初始轉(zhuǎn)發(fā)向量_()),該工作由匯聚節(jié)點完成；該 算法中定義免疫細胞為:其中％為轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)Hii的二進制編碼，設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)最 大值為HWx = 2'則％可由P個二進制位表示，S卩％G{〇，1}0 ;定義解空間Z為n維向量 的集合，且解向量的每個分量取長度為P的二進制串，譯碼后對應(yīng)1到之間的轉(zhuǎn)發(fā)系 數(shù)值；取親和力函數(shù)為/(? =r; 步驟四：匯聚節(jié)點對初始轉(zhuǎn)發(fā)向量進行廣播，各扇環(huán)內(nèi)簇頭節(jié)點收到廣播消息后，計 算其所在圓環(huán)的能耗速率Vi,并啟動簇內(nèi)普通節(jié)點進行工作，網(wǎng)絡(luò)初始化階段完成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略，其特征在 于，步驟三中免疫克隆選擇算法具體操作如下： (a)設(shè)定算法參數(shù)，設(shè)終止代數(shù)為gt，免疫細胞種群規(guī)模為s，平均克隆率為p。，平均變 異概率為Pv，多樣性補充率為d; (b) 記算法當前代數(shù)為g。= 0,初始化免疫細胞種群
*并計算初始種群 的親和力； (c) 若當前代數(shù)為終止代數(shù)，即g。=gt，則輸出當前代中具有最大親和力的免疫細胞 ife)，將其譯碼為優(yōu)化問題的轉(zhuǎn)發(fā)向量叾，并終止算法，否則轉(zhuǎn)下一步； (d) 將g。代種群中免疫細胞i(&)按親和力由低到高進行排序，可得各免疫細胞位置序 號Ii,IiG[1，s]; _ lrP,- (e) 對A(g。）進行克隆操作T1S其中免疫細胞；(&)的克隆數(shù)目為的上取整，操作 /-I -V 完成后種群演化為A(g。）'； (f) 對A(g。）'中的每個克隆體進行變異操作C，克隆體中各分量所對應(yīng)的二進制串中 每個二進制位的變異概率為'操作完成后種群演化為A(g。）"； zT (g) 進行克隆選擇If操作，計算A(g。）"的親和力，若克隆體的親和力大于原免疫細胞， 則選擇克隆體，否則保留原免疫細胞，操作完成后得到第&+1代種群演化為A(gc;+l); (h) 計算種群A(gc;+l)的親和力，為了保持免疫細胞的多樣性，隨機生成s?(!個免疫細 胞替換種群A(gc;+1)中親和力最低的s?d個免疫細胞； ⑴gc =gc+l，轉(zhuǎn)步驟（c)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于免疫克隆選擇的三維傳感網(wǎng)功率控制策略，其 特征在于，在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，普通節(jié)點和簇頭節(jié)點任務(wù)不同，需要完成不同的操作，普通 節(jié)點操作如下： (1) 將所采集數(shù)據(jù)信息直接發(fā)送到簇頭節(jié)點； (2) 接收到所在扇環(huán)簇頭節(jié)點的ELEC消息時，將節(jié)點剩余能量e、接收信號強度s及節(jié) 點ID發(fā)送到簇頭節(jié)點，以完成新簇頭選舉工作； 簇頭節(jié)點工作步驟如下： (1) 簇頭節(jié)點首先對接收及采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合； (2) 簇頭節(jié)點（i，0，head)發(fā)送RST消息到簇頭節(jié)點(/-▲.民RST消息中包含 圓環(huán)Ci的能耗速率Vi。簇頭節(jié)點(7-w.氏/_/：)收到RST消息后，令= ，判斷 (/!>1)是否成立，若成立轉(zhuǎn)⑷，否則轉(zhuǎn)⑶； (3) 簇頭(/-發(fā)送DNY消息到簇頭節(jié)點（i, 0，head)，令戈*簇頭節(jié) 點（i，0，head)收到DNY消息后，令
，轉(zhuǎn)⑵； (4) 簇頭節(jié)點（i, 0,head)將所接收及采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到簇頭節(jié)點(/- 當簇頭節(jié)點剩余能量e小于e/3時，簇頭節(jié)點廣播ELEC消息，重新選舉簇頭，簇頭選 舉成功后，啟動簇內(nèi)節(jié)點重新工作。如果當選簇頭節(jié)點剩余能量ehrad = 0,網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié) 束。
【文檔編號】H04W52/32GK104244383SQ201410419561
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】趙學健, 孫知信, 劉旭, 郭婧 申請人:南京郵電大學