基于改进果蝇算法的无线传感器网络覆盖优化研究

摘要

无线传感器网络是一种分布式传感网络，是由大量固定或移动的无线传感器节点以自组织和多跳传输的方式组成。传感器节点采集的监测数据，可以通过逐跳的方式在多个节点之间进行传输。无线传感器网络具有网络设置灵活、网络服务质量高等优点，因此广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。
　　在传统的无线传感器网络中，网络覆盖和节点部署等技术已经获得很多的研究成果，但随着网络通信技术的快速发展，人们对于无线传感器网络的需求变得更大。传统的节点部署策略就会出现部署速度慢，覆盖范围小，服务质量差等问题。无线传感器网络节点部署主要分为可移动传感器节点的网络覆盖和固定位置传感器节点的网络覆盖，这两种节点部署方式都存在一些相同的问题。例如:有些区域的节点过于密集，造成网络信号覆盖的亢余，而有的区域节点过于稀疏，造成该区域信号强度不够，成为网络盲区。于是，为了提高网络覆盖率和网络服务质量，通常就会通过增加节点数量的方式来实现，结果造成一些节点冗余，资源的利用率降低，网络结构变复杂，系统能耗变大等问题。本论文针对这两种节点部署方式，运用一种改进的果蝇算法，实现对无线传感器网络覆盖的优化。
　　目前已有多种智能算法运用在无线传感器网络的覆盖优化问题上，例如粒子群算法、鱼群算法、遗传算法等。但是这些算法在无线传感器网络问题上，或算法复杂度高，导致计算速度太慢，或算法性能差，导致计算结果精度太低，或算法参数太多，导致网络模型复杂。针对这些问题，本文将改进的果蝇算法与无线传感器网络的两种覆盖模型结合，通过对比试验，验证在无线传感器网络覆盖优化问题上，本文的解决方案优于以往的解决方案，实现对网络覆盖的进一步优化。
　　本文主要的工作集中于以下几点:
　　1、提出一种改进的果蝇算法:可交步长果蝇算法。算法将整个搜索过程分为若干个周期，这样做可以增加搜索过程的多样性，大大减小局部收敛的可能性。其次算法在每个周期内采用Sin(x)函数，使步长在单位周期T内可以跌宕变化。这样既能保证算法有很强的全局搜索能力，可以实现快速收敛，又能使算法可以在小范围内完成高精度的搜索，结果具有更好的收敛效果。
　　2、使用多个经典测试函数对可变步长果蝇算法的性能进行检测，体现算法在寻优问题上的有效性和优越性。通过实验结果的展示与分析，验证了相对于其它几种智能算法，可变步长果蝇算法具有更好的搜索性能和更高的稳定性。
　　3、针对可移动传感器节点的网络覆盖，首先建立网络模型，然后结合可变步长果蝇算法提出优化流程，在仿真环境下进行模拟实验，体现优化方法的有效性和优越性。通过一系列的对比试验和数据展示，验证了相对于其它智能算法，可变步长果蝇算法能更有效的结合可移动节点网络覆盖模型，迸一步提高网络的覆盖率，实现对网络覆盖的优化。
　　4、针对固定位置传感器节点的网络覆盖，首先建立网络模型，然后结合可变步长果蝇算法提出优化流程，在仿真环境下进行模拟实验，体现优化方法的有效性和优越性。通过一系列的对比试验和数据展示，验证了相对于其它智能算法，可变步长果蝇算法能更有效的结合固定位置节点网络覆盖模型，进一步提高网络覆盖率并降低网络能耗，实现对网络覆盖的优化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1、研究背景与意义

1．2、国内外研究现状

1．3、研究内容与创新

1．4、论文结构

1．5、本章小结

第二章 无线传感器网络综述

2．1、无线传感器网络的概念

2．2、无线传感器网络的体系结构

2．2．1 无线传感器网络的节点功能结构

2．2．2 无线传感器网络的通信体系结构

2．3、无线传感器网络的特点

2．4、无线传感器网络的核心技术

2．5、无线传感器网络的覆盖控制技术

2．5．1 无线传感器网络覆盖控制技术的分类

2．5．2 无线传感器网络覆盖性能评价标准

2．6、本章小结

第三章 基于改进步长果蝇优化算法研究

3．1、智能优化算法简介

3．2、智能优化算法原理

3．3、智能优化算法的优势

3．4、果蝇算法

3．4．1 果蝇算法简介

3．4．2 果蝇优化算法流程

3．4．3 果蝇优化算法的优缺点

3．5、可变步长果蝇算法

3．5．1 基于果蝇算法的改进

3．5．2 CSFOA的算法流程

3．6、Benchmark测试函数

3．7、实验与分析

3．7．1 实验函数和算法介绍

3．7．2 实验结果与分析

3．8、本章小结

第四章 无线传感器网络的覆盖优化研究

4．1、无线传感器网络节点模型

4．2、可移动节点的无线传感器网络覆盖优化

4．2．1 概述

4．2．2 基于CSFOA的可移动节点WSN覆盖优化算法

4．2．3 仿真实验及结果分析

4．2．4 小结

4．3、固定位置节点的无线传感器网络覆盖优化

4．3．1 概述

4．3．2 基于CSFOA的固定位置节点WSN覆盖优化算法

4．3．3 仿真实验及结果分析

4．3．4 小结

4．4、本章小结

第五章 总结与展望

5．1、总结

5．2、展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及工作