下面是小编为大家整理的通过虚拟力计算对无线传感器覆盖进行节能优化控制,优秀专业论文,供大家参考。
通过虚拟力的计算对无线传感器覆盖进行节能优化控制
摘
：
要：控制无线传感器的覆盖力是国内外学者一直在研究的问题，通常来说，要提高覆盖率，能耗就要加大，这两者之间通常来说成正比，那么怎样在提高覆盖率的同时达到节能与优化的目的？国内外学者提出许多优化的办法，本文以虚拟力的计算这个途径进行探讨，通过计算虚拟力的节点分布，再对虚拟力进行控制达到节能与优化的目的，这就要从无线传感器网络的结构、覆盖的方法、虚拟力的计算这几个方法来探讨，最后通过建模来达到节能优化控制的目的，最后需要通过仿真计算来进行验证结果，通过一系列的探讨，证明这种方法是可行的，它能达到提高系统性能、达到网络生命周期最大化的目的。
关键字：无线传感器网络；覆盖控制；节能；虚拟力；
一、概述 无线传感器网络的覆盖控制问题一直是国内外学者广泛研究的一个问题，国外对在控制能耗的情况下扩大覆盖面积的方法提出很多方案。本文提出的通过虚力计算的方式达到控制耗能，扩大无线传感器覆力范围的方法是通过对网络传感器节点布署与路由选择的方法让无线传感器网络转输的资源得到优化，这是一种通过科学的技术方法达到实现无线传感器网络优化的方法。
在对无线传感器网络覆盖控制的效果上，通常用覆盖率这种方法描述，无线传感器的覆盖率通常与无线通信的半径有关，如果无线通信的半径太大，则会由于距离的原因，通信信号出现太多的干扰因素，使信息传输无法通畅，但是通过计算可以知道，如果通信半径大于感之半径的两倍，则会使干扰现象极大的减少，因此，使用虚拟力计算的方法就是对无线传感器的路径进行最有效的规划，假设先让初始节点在网络中随机分布，那么网络由于种种原因，受到的干扰力不同，无法达到最好的分布效果，此时，可以通过对节点计算，通过计算其它传感力之间的虚拟力当节点，找到虚力之间间的受力平衡，通过掌握虚拟力平衡的方法对节点进行更好的分布，使网络间的虚拟力节点资源能更有效的运用，使网络的信息传输更加通畅，本文谈论的就是怎样用计算的方法找到虚拟力的平衡，实现节能优化的目的。
二、无线传感器的网络结构 通过下图对无线传感器网络的描述可以看到，对于节点的布置方式是自适应的方法，而对节点进行控制的设置则使用互相协作的方法进行，当接收发送器用多跳网络把数据传送到远程服务中心时，远程服务中心就根据数据信息的要求对网络节点开始控制，以下为无线转感器的构成方式，通过该结构图能看到无线传感器对信息的处理方法。
无线传感器的网络结构
二、无线传感器的覆盖
1，布尔感知模型 传感器的感知模型分为布尔感知模型（又称 Boolean Sensing Model）与概率感知模型（又称 Probabilistic Sensing Model）两种。
布尔感知模型是将无线传感器的覆盖方式视作一个二维平面，它的感知半径为 RS，在感知半径范围以内所有节点都能收到信息，而半径以外节点不能收到信息，如果把节点 S的坐标定义为：（x s ，y s ），那么半径中任意一点 P 的座标为：（x p ，y p ），可以用以下公式表达节点 S 中测到 P 的概率：
在这个公式中，p 到节点 s 的距离公式为：
从公式中能看到，节点对任意一点的检测概率不是固定值，它与阀值有很大的关联。2虚拟势场 虚拟势场（又称 virtual potential field）是指设定出一种规则，节点用这种规则对障碍进行排除，在无线传感器中，其虚拟势场规则为高电势走向低点势，每个节点都以该种规则进行运动。对虚拟力进行计算，即对这种势拟势场进行计算，让每个节点都通过这种势拟势场的规则进行再布署，达到节点优化的效果，实现无线传感器最大的有效覆盖率。
二、虚拟力的工作过程 1， 节点的工作方法 要实现虚拟力的优化，需要有以下几个条件：每个节点都必须能感知到信息；节点拥有可以移动的功能；运作中有自定位功能的装置。拥有以上三个条件，就能通过规定一种算法，达到虚拟力优化的目的，其工作的模式如下图：
传感器节点工作模式
2，节点移动的算法 通地布尔感知模型能知道距离阈值 d th 与节点的覆盖率有关，那么节点移动的方式可以用以下的公式表达：
在这个公式中， ij 是传感器节点 S i 到 S j 的方位角， A 表示虚拟力的引力系数， R表示虚拟力的斥力系数。
如果要提高覆盖率，就要对距离阀值 d th 进行控制，可以对传统的算法进行优化。通过
下图为例可以看到节点无效的移动方式：A 点受 B 点的排斥点远离 B，但是会因为受到 C、D 点的引力向 CD 移动，因此，可以根据虚拟力计算公式能得到 C、D 距离 A、B 很远，几乎没有移力作用，这样的移动不会对覆盖面产生优化，但是却因为移动浪费了很多能量那么可以定义为当节点间的距离超过 2 倍的 d th 时，即视为无效的移动，因此可以对以上的算法进行优化：
无效的节点移动
优化之后的表达式为：
2，虚拟力作用的流程 可以根据以上的原理，可以总结出节点部署算法的流程：
1）无线传感器网络最初的节点是随机布署的； 2）在对节点进行控制时要设置节点的感知半径、通信半径、监界距离、循环变量、最大循环次数； 3）通过公式对虚拟力与合力进行计算； 4）在节点移动后要判断是否到达监界值； 5）如果到达临界值或最大移动值即中止循环，否则继续循环。
在这个过程中，有两点需要考虑到：
1）这个过程仅仅只有优化的效果； 2）对临界距离要进行有效设置，使它达到满足覆盖率的要求。
四、节能控制优化
1，建模 要对以上算法进行节能优化，可以通过建模的方式进行，在传感器的收发节点之间，功率关系的表达式是：
在这个表达式中，P R 、P r 是收发节点间的函数关系代表收发功率，G R 、G r 是收发天线的增益，d 代表收发节点的距离，那么损耗 L 就是与传播无关的系统损耗（L≥1），如果 L
等于 1 表示没有损耗，公式中 表示波长。
如果要满足最小功率的情况，即 P R =P 0 ，那么最小的发送公式为：
由于发送功率与距离呈正比，那么可以通过公式得到感知功率与感知半径为平方正比的关系，如果经过前面的研究进行设置通信半径是感知半径的 2 倍，那么可以设为：P=kr 2 ，那么可以得到网络小耗最小的功率等于网络中所有节点功率的平均值这个数据，公式如下：
经过计算得到优化的模型，假设 S 是监测的目标区域，N 为传感节的节点数量，第 i 个节点的坐标是（x i ，y i ），通信半径是 R i ，感知半径是 r i ，那么可以得到以下的公式：
第 i 个传感器节点的覆盖区域可以约束为：
保证覆盖区域无盲区可以约束为：
可以让网络连通且没有无线干扰的可以约束为：
可以通过以上的数字模型达到虚力力覆盖的最大化，且兼顾节能、优化的效果。
2，优化方案
在以上数字模型中，要达到优化的效果必须保证以下几个前提：网络必须通畅，且设置为 R i =2 ri ；；实现以上的数字模型；要达到这个前提，就要解决以下 3 个问题：
1）
消除盲区 对于盲区的消除可以通过以下的公式可以看到算法，以拟力模型为例，如果定义区域离散化形成 K 个节点，第 k 个点为 c k ，那么没有覆盖的 c k 对传感节点 S i 有吸引力，那么可以得到：
这个系统的虚拟势能函数可以得到：
在这个模型中 U=0 时，,所有传感器的范围都能得到感知，当 q=1 时，该系统没有盲区，因此可以通过对 U 的计算控制实现盲点消除。
2）
优化节点 如果目标区域已经被有效节点的感知范围进行覆盖，则不需要重复覆盖，可以通过以下算法对节点优化进行计算：
用函数的方法表示虚拟势能：
通过函数可以知道，U 的数值越小，节点的部署越均匀，U 的数值反应网络的布局好坏，因此要对 U 的数值进行控制，它必须>0。
3）网络系统节能
要让网络系统达到节能的效果，必须要让系统能量消耗最小，可以通过以下公式计算，如果将单个节能的能量定义为：
让 G i =1，在满足 d y <mix（R i ，R j ）的条件下，设有 N 个节点，那么每个节点保存的能量为：
那么对无线传感器的节能优化方式，即控制数值勤 E。
五、算法仿真 为了让算法得到有效性的验证，本文使用 MATLAB 工作对以上的覆盖算法进行仿真验证。
如果假定仿真场景的网络规模为 20m×20m×20m，在监控区域内均匀随机分布两类传感器节点， 其中一种传感器节点感知半径：R1=4； 另一种传感器节点的感知道半径为 RS2=RS1/5 =1.8； 通过以上算法能知道第一种传感器感知半径：R1=4 时，最小节点为 N=9； 另一种传感器感知半径为 1.8 时最小节点数目为 M=18 个； 在取值时，要考虑能耗带来的误差，所以取值分别为：N=10，m=20，它能达到全面覆盖的效果。
1， 覆盖度的控制效果
下图的左图是通过取不同的值得到盖盖的效果，通过取值能看到，如果节点越多，覆盖面积越大，同时该种算法对覆盖的影响也随之增大，当取值达到节点取值时，那么监测就得到临界的效果，覆盖的效果已经非常稳定。
3）
均匀性的效果 从下图的右图可以看到，当节点的数目增加，它们越依照算法的规则进行，而不是进行随机覆盖，通过以上提出的算法可以知识，当随机覆盖的指数越小时，即节点数目越依照优化的方法进行，它能达到优化分布的效果。
这里节点分布的实际运用中，要考虑到误差的存在，所以将节点定为 N=10，m=20，覆盖度能反映网络对区域监测的完整性，可以了解随着节点密度增大，覆盖程度也在增加，而覆盖的算法通在节能的同时让覆盖程度得到增加，而通过覆盖算法，能用最少数目的节点，达到扩大网络覆盖的效果，这达到节能与优化控制的效果，因此使用节能的虚拟力无线传感器对网络进行覆盖优化是完合合理并且有效的。
总
结：
本文对无线传感器的网络进行研究，并且对覆盖控制方面的问题进行探讨，在满足区哉覆盖的前提下，怎样减少能耗达到优化的目的是本次的研究目标，这次的研究以虚拟力计算的方法，通过一种优化的规则，使节点达到最小的程度，且用优化的方法进行分布，达到最佳的覆盖效果，通过仿真实验能看到，这种计算方式能达到对无线传感器覆盖满足的情况下节能的目的，它能有效的优化整个网络运行的系统。
参考文献：
[1].王雪无线传感网络测量系统[M].北京：机械工业出版社，2007. [2].宋文.王兵.周应宾.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
推荐访问:通过虚拟力计算对无线传感器覆盖进行节能优化控制 优秀专业论文 传感器 节能 覆盖