一種基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略的製作方法

2023-07-21 15:05:16

一種基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略的製作方法
【專利摘要】一種基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略。針對無線傳感器網絡中存在的能量空洞問題，構建能量空洞問題分析模型，提出一種基於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發向量，並在網絡的運行過程中對轉發向量進行動態調整，從而利用外部圓環的加倍能量付出換來內部圓環的能量節省，並使得各圓環能耗速率趨近一致，緩解網絡的能量空洞問題，延長了網絡的生命周期。從而為無線傳感器網絡的能量空洞問題提供了一種新的解決思路。
【專利說明】一種基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略

【技術領域】
[0001] 本發明屬於無線傳感領域，具體涉及無線三維傳感【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著傳感器技術及低功耗無線通信技術的迅速發展，無線傳感器網絡在戰場敵情 監控、環境監測、工業控制等方面具有廣闊的應用前景。受傳感器節點成本和體積的限制， 其大多採用的電池提供能量，能量受限。由於工作環境複雜，對節點進行電池更換和能量補 充十分困難。因此，提高節點的能耗效率成為延長網絡生命周期的重要手段。
[0003] 無線傳感器網絡節點採集的數據通過匯聚節點與外部網絡進行傳輸，數據流遵循 多對一的模式。離匯聚節點較近的節點不但要發送自身的採集數據，還要承擔外部節點的 數據轉發任務，能量消耗較快，最終會導致匯聚節點周圍的節點能量過早耗盡，容易形成 "能量空洞"區域，造成網絡的癱瘓。
[0004]考慮到功率控制技術作為當前主要的拓撲控制策略之一，其對網絡的能量效率、 網絡容量、吞吐量等具有顯著影響，本發明提出了一種基於免疫克隆選擇的功率控制策略 以緩解無線傳感器網絡的能量空洞問題。
[0005]文獻"一種對抗能量空洞的傳感網協作通信方法"（申請號：CN201210289489)公 開了一種對抗能量空洞的傳感網協作通信方法，如圖1所示。首先將傳感網的區域劃分為 多個同心圓環區域，相鄰同心圓節點間的進行協作通信，具體包括以下步驟：首先源節點發 出請求發送幀信息給目的節點；然後源節點進入監聽狀態，在規定時間內若收到允許發送 中貞信息，則源節點向目的節點發送數據幀；若沒有收到允許發送幀信息，則源節點以翻倍功 率繼續發送請求發送幀給目的節點；若在規定時間內收到協作要求幀信息，則源節點遂向 發送協作要求幀的發送節點發送數據幀，該發送節點將數據幀發送給目的節點；最後源節 點轉入監聽狀態，等待目的節點協作通信完成。該文獻是針對無線傳感器網絡能量空洞問 題的一種協作通信方法，能充分有效的利用有限的計算和存儲資源，並且各節點間協作通 信能有效抵抗無線信道衰落的影響。該技術的不足是,不能充分且均衡的利用網絡區域內 所有節點的能量，使網絡生命周期得到更大程度的延長。
[0006]文獻(_申請號：CN201310296481)基於無線傳感器網絡節點壽命及能量空洞計算 方法，如圖2所示，所有傳感器節點隨機部署在sink節點的周圍，並周期性將監測數據通過 多跳方式發送到sink節點。本發明公開了一種無線傳感器網絡節點壽命及能量空洞計算 方法，、它涉及無線傳感器網絡【技術領域】。此計算方法包括，丨、從理論上得到了網絡從開始運 行，然後第一個節點死亡，死亡節點不斷增多，再到網絡失效的整個網絡生命周期中，每個 節點承擔的數據量、能量消耗、與生存壽命的計算方法,並給出了計算結果； 2、從空間上分 析給出了網絡能量空洞空間位置與發展變化情況；3、依據理論分析結果，得到在最優節點 發^半徑r求解算法及任意網絡壽命的上界與能量空洞邊界計算方法。該文獻針對無線傳 感器網絡能量空洞問題，提出了一種無線傳感器網絡節點壽命及能量空洞計算方法，但是 並未提出任何有效的避免或者緩解無線傳感器網絡能量空洞問題的手段。


【發明內容】

[0007]發明目的：針對無線傳感器網絡的能量空洞問題和當前技術的不足，提供了一種 基於免疫克隆選擇的功率控制策略，為解決無線傳感器網絡的能量空洞問題提供新的解決 思路。。
[000S]技術方案：針對無線傳感器網絡中存在的能量空洞問題，構建能量空洞問題分析 模型，提出一種基於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 始轉發向量，並在網絡的運行過程中對轉發向量進行動態調整，從而利用外部圓環的加倍 能量付出換來內部圓環的能量節省，並使得各圓環能耗速率趨近一致，緩解網絡的能量空 洞問題，延長了網絡的生命周期。從而為無線傳感器網絡的能量空洞問題提供了一種新的 解決思路。本發明為實現上述發明目的採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域的截面圖，傳感器節點均勻分布在圓形區域中， 匯聚節點位於該圓形區域的圓心位置，將該圓形區域劃分為n個寬度相等均為r的圓環，由 內向外依次為(： 1，(：2，(：3，...，(：11。
[0010]為了對網絡的能量空洞問題進行分析，本發明引入圓環能耗速率（圓環內節點單 位時間內的平均能耗）作為能量空洞分析模型，圓環Ci的能耗速率Vi為：
[0011]

【權利要求】
1. 一種基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略，其特徵在於，引入圓環能耗速 率即圓環內節點單位時間內的平均能耗作為能量空洞分析模型，圓環Ci的能耗速率Vi為：
上式中AEi表示圓環Ci內所有節點在時間t內的總能量消耗，PIroras 及平均發送功率；該方案包括初始化和網絡運行兩個階段，初始化階段主要完成網絡模型 的建立和初始轉發向量即各圓環內節點轉發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點完成的。
2. 根據權利要求1所述的基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略，其特徵在 於，初始化階段匯聚節點主要工作步驟如下： 步驟一：匯聚節點首先採用不同的發射功率等級（對應發射半徑分別為ir，ie[l，n])進行廣播，將監測區域劃分為n個寬度為r的圓環，廣播消息中包含發射功 率等級欄位i，節點對匯聚節點的發射功率等級以及接收信號強度s進行記錄（只記錄第一 次）；然後，匯聚節點採用定向廣播技術將監測區域劃分為m個扇狀區域，廣播消息中包含 廣播角度信息9，節點對接收廣播消息中的角度進行記錄；這樣，監測區域被劃分為n*m個 扇環，每個扇環可以用二元組（i，0 )表示，每個節點可以用三元組（i，0，id)來表示； 步驟二：將每個扇環區域作為一個簇，在每個簇中選出簇頭節點，記為 (i，0 ,head)，並令5=0，簇頭節點滿足條件：對於該扇環區域內其它任意節點 (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 節點的剩餘能量，s表示節點接收信號強度。簇頭節點不僅負責收集簇內成員節點的信息 並進行數據融合，還要負責轉發本簇及外部扇環簇的採集數據； 步驟三：採用免疫克隆選擇算法計算初始轉發向量_),該工作由匯聚節點完成；該 算法中定義免疫細胞為:其中％為轉發係數Hii的二進位編碼，設轉發係數最 大值為HWx = 2'則％可由P個二進位位表示，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的二進位串，解碼後對應1到之間的轉發系 數值；取親和力函數為/(? =r; 步驟四：匯聚節點對初始轉發向量進行廣播，各扇環內簇頭節點收到廣播消息後，計 算其所在圓環的能耗速率Vi,並啟動簇內普通節點進行工作，網絡初始化階段完成。
3. 根據權利要求2所述的基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略，其特徵在 於，步驟三中免疫克隆選擇算法具體操作如下： (a)設定算法參數，設終止代數為gt，免疫細胞種群規模為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) 記算法當前代數為g。= 0,初始化免疫細胞種群
*並計算初始種群 的親和力； (c) 若當前代數為終止代數，即g。=gt，則輸出當前代中具有最大親和力的免疫細胞 ife)，將其解碼為優化問題的轉發向量叾，並終止算法，否則轉下一步； (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；(&)的克隆數目為的上取整，操作 /-I -V 完成後種群演化為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的二進位串中 每個二進位位的變異概率為'操作完成後種群演化為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於原免疫細胞， 則選擇克隆體，否則保留原免疫細胞，操作完成後得到第&+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，轉步驟（c)。
4.根據權利要求1或2或3所述的基於免疫克隆選擇的三維傳感網功率控制策略，其 特徵在於，在網絡運行過程中，普通節點和簇頭節點任務不同，需要完成不同的操作，普通 節點操作如下： (1) 將所採集數據信息直接發送到簇頭節點； (2) 接收到所在扇環簇頭節點的ELEC消息時，將節點剩餘能量e、接收信號強度s及節 點ID發送到簇頭節點，以完成新簇頭選舉工作； 簇頭節點工作步驟如下： (1) 簇頭節點首先對接收及採集數據進行數據融合； (2) 簇頭節點（i，0，head)發送RST消息到簇頭節點(/-▲.民RST消息中包含 圓環Ci的能耗速率Vi。簇頭節點(7-w.氏/_/：)收到RST消息後，令= ，判斷 (/!>1)是否成立，若成立轉⑷，否則轉⑶； (3) 簇頭(/-發送DNY消息到簇頭節點（i, 0，head)，令戈*簇頭節 點（i，0，head)收到DNY消息後，令
，轉⑵； (4) 簇頭節點（i, 0,head)將所接收及採集數據轉發到簇頭節點(/- 當簇頭節點剩餘能量e小於e/3時，簇頭節點廣播ELEC消息，重新選舉簇頭，簇頭選 舉成功後，啟動簇內節點重新工作。如果當選簇頭節點剩餘能量ehrad = 0,網絡生命周期結 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 優先權日:2014年8月22日
【發明者】趙學健, 孫知信, 劉旭, 郭婧 申請人:南京郵電大學