基于鲸鱼群算法的无线传感器网络部署方法研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）通过部署多个具有感知与处理数据功能的节点实现对区域物理信息的感测与调节，而节点的部署作为首要的一环对系统监测的效果有十分重要的作用。如何提高网络覆盖率、降低网络消耗、保障网络连通性都是目前需要密切关注、持续改善的问题，随着网络规模的扩大，传统的几何分析或数值方法求解困难，本文基于元启发式算法研究无线传感器网络部署方法，具有重要的意义与应用价值。 本文针对多种环境下的WSN节点部署方法展开研究，综合考虑了覆盖率、网络代价、网络连通性等因素，分别建立了不同环境下的节点部署模型，提出了基于鲸鱼群算法的节点部署方法，最后设计开发了WSN节点部署子系统。 首先，根据部署问题中的覆盖率、网络代价、网络连通性等需求，设计了对于无障碍规则环境下节点部署问题的目标函数，并提出了迭代计数器机制的鲸鱼群算法的求解方法。在六个仿真场景中将所提算法与其他算法对比，验证了算法在最优解质量、收敛速度等方面的优越性。 其次，针对复杂环境下的WSN部署问题，分别提出了针对障碍物与不规则区域的基于虚拟网格的近似处理策略，并进一步在目标函数中引入了避障率这一因素；根据近似处理策略以及新的目标函数，提出了复杂环境下基于鲸鱼群算法的WSN部署方法；通过一组有障碍的无规则区域场景实例，验证该方法的高效性。 然后，根据不同环境下的部署策略，开发了WSN部署子系统。通过该系统实现对多种部署场景的还原以及提供优化的部署方案，并且通过几个实例证明了该系统的有效性。 最后，总结了全文的主要工作，并对未来的研究进行了展望。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究背景

1.1.3 课题研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 WSN及覆盖与部署

1.2.2 WSN的覆盖与部署技术

1.2.3 鲸鱼群算法研究现状

1.3 现状总结与问题分析

1.4 本文的主要工作与结构

1.4.1 本文的主要工作

1.4.2 本文的组织结构

2 无障碍规则环境下基于鲸鱼群算法的WSN部署方法研究

2.1 无障碍规则监测区域的部署模型

2.1.1 网络模型

2.1.2 目标函数

2.2 基于鲸鱼群算法的部署算法

2.2.1 传感器节点数量的确定

2.2.2 WSA算法基本理论

2.2.3 基于迭代计数器的WSA算法（WSA-IC）

2.2.4 基于WSA的WSN部署算法

2.3 算法仿真与分析

2.3.1 实例介绍

2.3.2 参数设置

2.3.3 仿真结果与分析

2.4 本章小结

3 复杂环境下基于鲸鱼群算法的WSN部署方法研究

3.1 复杂环境下WSN部署模型

3.1.1 有障碍监测区域的部署问题

3.1.2 不规则监测区域的部署问题

3.2 基于鲸鱼群算法的复杂环境的部署算法

3.2.1 初始化

3.2.2 个体移动与邻域搜索

3.3 算法仿真与分析

3.3.1 参数设置

3.3.2 实例场景

3.3.3 仿真结果与分析

3.4 本章小结

4 WSN部署子系统实现与运行实例

4.1 部署子系统开发与实现

4.1.1 子系统架构

4.1.2 系统实现

4.2 运行实例与测试

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得研究成果

附 录