粒子群算法的无线传感器网络覆盖优化研究
无线传感器网络是由大量的无线传感器节点分布而成，无线传感器网络的覆盖控制是对WSN研究过程中最基本的一个问题。对它的研究一直是为了使WSN在相同的条件下，覆盖范围的更加广，覆盖率更加大。一个好的覆盖策略能够帮助WSN更好的分配资源，更好的提高感知服务的质量。在WSN的使用越来越广泛的时代，如何更好的进行覆盖控制，值得我们大力研究。传统的WSN是用贪婪算法进行分布的，这样不仅浪费大量无线传感器节点，还监测效率低下。而粒子群优化算法是将鸟类的捕食行为中鸟比作粒子启发而来的，我们可以把无线传感器节点比作粒子，这在WSN在覆盖控制上给出了新的思路。本论文针对无线传感器的覆盖问题，结合粒子群优化算法，用以解决无线传感器网络中节点分布的优化问题。在本文中，我们将无线传感器节点当作粒子，根据实际情况，在覆盖区域内放置障碍物。在粒子生成和移动的过程中，都要考虑到粒子不能进入障碍物中，所以这些都要在算法中进行编译，最后对这些节点进行粒子群算法优化，通过迭代，得到最大的覆盖率。仿真结果显示，与原来所采用的贪婪算法进行比较，该算法能有效地提高一定数量的传感器的覆盖范围。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2无线传感器网络及其覆盖 2
1.2.1 无线传感器网络特征 2
1.2.2 无线传感器网络覆盖的研究现状 3
1.3 本文的主要工作 4
1.3.1 结构安排 4
1.3.2 主要内容 5
第二章 无线传感器网络覆盖的基本原理 6
2.1无线传感器网络体系结构 6
2.3.1 无线传感器网络结构 6
2.3.2无线传感器节点结构 6
2.2 无线传感器网络优化模型 7
2.3基于虚拟力的覆盖算法 8
2.4本章小结 10
第三章 基于粒子群优化算法的WSN覆盖原理 11
3.1粒子群优化算法的基本原理 11
3.2带有惯性因子的改进粒子群优化算法 12
3.3 基于粒子群的WSN覆盖算法 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.4本章小结 15
第四章 仿真实验研究 16
4.1参数的设置 16
4.2不同环境下的仿真实验 18
4.2.1不带障碍物的仿真实验 18
4.2.2 带障碍物的仿真实验 23
4.3本章小结 28
第五章 总结与展望 29
5.1工作总结 29
5.2未来工作的展望 30
致谢 31
参考文献 32
附录 34
第1章 绪论
1.1课题研究背景和意义
无线传感器一开始是只运用于军事领域的，美国的卡内基梅隆大学曾经成立了一个工作组，就是为了致力于研究分布式传感器网络，受困于当时的技术条件落后【1】，这项研究的应用范围极其有限。到了本世纪，技术水平日益发展，科技水平日益升高，无线传感器网络的研究与开发在信息收集以及网络领域变得愈发的炙手可热已经成了信息领域的一大热点。随着无线传感器网络巨大的应用前景的发现，各个行业以及各个学术领域对无线传感器网络技术变得愈发的重视。
无线传感器作用的很大的一方面就是对物理环境的检测，然后将监测到的信息通过互联网或者卫星发到计算机上反映给用户，因此，对于无线传感器网络来说覆盖的范围和覆盖程度是其一个极其重要的问题，它所覆盖的范围以及程度真实的反映了无线传感器网络质量的好坏【2】。只有使无线传感器节点能有更好的覆盖率，以及更大的覆盖范围，才能更好的利用好无线传感器网络，得到准备的目标信息以及对目标进行实时的检测。近几年国内外积极的开发研究无线传感器的覆盖控制方式，并有了较为显著的效果。优化无线传感器的网络覆盖这一课题具有非常重要的意义，他的研究能够帮助我们在未来合理的分配网络的空间资源，能够让我们对环境更加好的感知，对信息的获取能够更加方便。
在通常情况下，无线传感器的放置没有经过细致的分析，并不能得到最大限度的覆盖。盲目的安置无线网络传感器会使部分检测区域出现覆盖盲区，在一些应用环境中，检测区域就可能会出现节点密度大，冗余度高的情况。而本论文就是针对无线传感器的网络覆盖程度进行研究，以达到无线网络节点能够最大程度的得到利用，监测区域的覆盖率得到最大最优化。
1.2无线传感器网络及其覆盖
1.2.1 无线传感器网络特征
无线传感器网络的特点:无线传感器网络除了具有有线点对点网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点【3】。
大规模网络，高容错率：为了要保证提高监测的精确度，无线传感器网络会在检测时放入大量的传感器节点，用来降低对单个节点传感器的精度要求。这样就会使系统得到很强大的容错性，同时大量的传感器节点也就构成了覆盖面积广，从而形成了大规模网络【4】。
自组织网络：因为很多时候无线传感器网络是去探测人类无法达到或者危险度很高的地方，所以大部分时间里，无线传感器并不能认为的有序的安置在一个理想的固定的地方，所以节点之间的相互邻居关系并不能预先知道，这就要求传感器节点之间互相进行配置和管理。同时，在无线网络传感器的使用当中，部分节点也有可能因为遭到破坏或者能源用尽而报废，这就需要原本一些不需要的节点对其进行补充，这就是无线传感器网络的自组织性，能够自己解决自身的一些问题。
多跳路由：因为每个节点只能与自身相邻的节点发生联系，当这个节点要传递信息到远处的时候，就需要借用相邻的节点一步一步的传输过去。这样每个节点既可以发出信息，也可以转发信息。
动态性网络：无线传感器网络结构是一个动态性网络结构，节点会因为各种情况失效，也会因为各种需求而增加，这就需要无线传感器网络具有动态性。
以数据为中心的网络：无线传感器网络是一个任务型网络，是通过无线传感器节点来采集和传输信息，脱离了无线传感器网络来单谈无线传感器节点是没有意义的，因为无线传感器节点是随机分布的，所以无线传感器节点是动态的，当用户要检测某样东西的时候，并不会直接找到传感器节点，而是将需求发送给网络，等到网络收到所需求的信息的时候才会发给用户，这就是以数据本身作为查询或者传输线索，所以说传感器是一个以数据为中心的网络【5】。
应用相关的网络：无线传感器网络的应用非常之广，不同的应用采取不同的无线传感器网络。因为不同的无线传感器可以应对不同的需求，所以无线传感器网络的功能由其应用而定。
1.2.2 无线传感器网络覆盖的研究现状
国内：无线传感器网络的研究，我国与外国几乎是同步开始研究的，因此我国在这一行业研究是处于绝对的领先地位，我国对这个研究项目的极大的，持续的投入，也保证了我国在未来几十年在这个项目上会一直处于领先的地位。在21世纪，我国大力开展了对无线传感器网络的研究。在本世纪初，我国就成立了微系统研究与发展中心，这个组织是由我国科学院所成立的，目的是为了集合所有能使用的人力资源和物力资源，用以加大对传感器网络的研究深度和研究力度。对于无线传感器的研究我国一直不遗余力的，在过去的10几年里，我国的各个组织都对有关无线传感器的项目都投资了极大的精力和金钱，其中，中国国家自然基金、国家重点项目发展计划“863”和“973”都开展了与无线传感器直接相关的项目【6】，并持续投入了大量的人力、物力。从这些不同的不停开展的项目上我们可以看出，国家对无线传感器的研究无比的重视。在国内，对无线传感器网络研究最深的有中科院、国防科大、哈工大、西北工业大学等等，这些无一不是我国科学研究方面的巨头的存在。这些年国家不停的开展针对传感器网络研究的项目，足以看出，无线传感器网络的重要性以及未来的可持续发展性。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2无线传感器网络及其覆盖 2
1.2.1 无线传感器网络特征 2
1.2.2 无线传感器网络覆盖的研究现状 3
1.3 本文的主要工作 4
1.3.1 结构安排 4
1.3.2 主要内容 5
第二章 无线传感器网络覆盖的基本原理 6
2.1无线传感器网络体系结构 6
2.3.1 无线传感器网络结构 6
2.3.2无线传感器节点结构 6
2.2 无线传感器网络优化模型 7
2.3基于虚拟力的覆盖算法 8
2.4本章小结 10
第三章 基于粒子群优化算法的WSN覆盖原理 11
3.1粒子群优化算法的基本原理 11
3.2带有惯性因子的改进粒子群优化算法 12
3.3 基于粒子群的WSN覆盖算法 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.4本章小结 15
第四章 仿真实验研究 16
4.1参数的设置 16
4.2不同环境下的仿真实验 18
4.2.1不带障碍物的仿真实验 18
4.2.2 带障碍物的仿真实验 23
4.3本章小结 28
第五章 总结与展望 29
5.1工作总结 29
5.2未来工作的展望 30
致谢 31
参考文献 32
附录 34
第1章 绪论
1.1课题研究背景和意义
无线传感器一开始是只运用于军事领域的，美国的卡内基梅隆大学曾经成立了一个工作组，就是为了致力于研究分布式传感器网络，受困于当时的技术条件落后【1】，这项研究的应用范围极其有限。到了本世纪，技术水平日益发展，科技水平日益升高，无线传感器网络的研究与开发在信息收集以及网络领域变得愈发的炙手可热已经成了信息领域的一大热点。随着无线传感器网络巨大的应用前景的发现，各个行业以及各个学术领域对无线传感器网络技术变得愈发的重视。
无线传感器作用的很大的一方面就是对物理环境的检测，然后将监测到的信息通过互联网或者卫星发到计算机上反映给用户，因此，对于无线传感器网络来说覆盖的范围和覆盖程度是其一个极其重要的问题，它所覆盖的范围以及程度真实的反映了无线传感器网络质量的好坏【2】。只有使无线传感器节点能有更好的覆盖率，以及更大的覆盖范围，才能更好的利用好无线传感器网络，得到准备的目标信息以及对目标进行实时的检测。近几年国内外积极的开发研究无线传感器的覆盖控制方式，并有了较为显著的效果。优化无线传感器的网络覆盖这一课题具有非常重要的意义，他的研究能够帮助我们在未来合理的分配网络的空间资源，能够让我们对环境更加好的感知，对信息的获取能够更加方便。
在通常情况下，无线传感器的放置没有经过细致的分析，并不能得到最大限度的覆盖。盲目的安置无线网络传感器会使部分检测区域出现覆盖盲区，在一些应用环境中，检测区域就可能会出现节点密度大，冗余度高的情况。而本论文就是针对无线传感器的网络覆盖程度进行研究，以达到无线网络节点能够最大程度的得到利用，监测区域的覆盖率得到最大最优化。
1.2无线传感器网络及其覆盖
1.2.1 无线传感器网络特征
无线传感器网络的特点:无线传感器网络除了具有有线点对点网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点【3】。
大规模网络，高容错率：为了要保证提高监测的精确度，无线传感器网络会在检测时放入大量的传感器节点，用来降低对单个节点传感器的精度要求。这样就会使系统得到很强大的容错性，同时大量的传感器节点也就构成了覆盖面积广，从而形成了大规模网络【4】。
自组织网络：因为很多时候无线传感器网络是去探测人类无法达到或者危险度很高的地方，所以大部分时间里，无线传感器并不能认为的有序的安置在一个理想的固定的地方，所以节点之间的相互邻居关系并不能预先知道，这就要求传感器节点之间互相进行配置和管理。同时，在无线网络传感器的使用当中，部分节点也有可能因为遭到破坏或者能源用尽而报废，这就需要原本一些不需要的节点对其进行补充，这就是无线传感器网络的自组织性，能够自己解决自身的一些问题。
多跳路由：因为每个节点只能与自身相邻的节点发生联系，当这个节点要传递信息到远处的时候，就需要借用相邻的节点一步一步的传输过去。这样每个节点既可以发出信息，也可以转发信息。
动态性网络：无线传感器网络结构是一个动态性网络结构，节点会因为各种情况失效，也会因为各种需求而增加，这就需要无线传感器网络具有动态性。
以数据为中心的网络：无线传感器网络是一个任务型网络，是通过无线传感器节点来采集和传输信息，脱离了无线传感器网络来单谈无线传感器节点是没有意义的，因为无线传感器节点是随机分布的，所以无线传感器节点是动态的，当用户要检测某样东西的时候，并不会直接找到传感器节点，而是将需求发送给网络，等到网络收到所需求的信息的时候才会发给用户，这就是以数据本身作为查询或者传输线索，所以说传感器是一个以数据为中心的网络【5】。
应用相关的网络：无线传感器网络的应用非常之广，不同的应用采取不同的无线传感器网络。因为不同的无线传感器可以应对不同的需求，所以无线传感器网络的功能由其应用而定。
1.2.2 无线传感器网络覆盖的研究现状
国内：无线传感器网络的研究，我国与外国几乎是同步开始研究的，因此我国在这一行业研究是处于绝对的领先地位，我国对这个研究项目的极大的，持续的投入，也保证了我国在未来几十年在这个项目上会一直处于领先的地位。在21世纪，我国大力开展了对无线传感器网络的研究。在本世纪初，我国就成立了微系统研究与发展中心，这个组织是由我国科学院所成立的，目的是为了集合所有能使用的人力资源和物力资源，用以加大对传感器网络的研究深度和研究力度。对于无线传感器的研究我国一直不遗余力的，在过去的10几年里，我国的各个组织都对有关无线传感器的项目都投资了极大的精力和金钱，其中，中国国家自然基金、国家重点项目发展计划“863”和“973”都开展了与无线传感器直接相关的项目【6】，并持续投入了大量的人力、物力。从这些不同的不停开展的项目上我们可以看出，国家对无线传感器的研究无比的重视。在国内，对无线传感器网络研究最深的有中科院、国防科大、哈工大、西北工业大学等等，这些无一不是我国科学研究方面的巨头的存在。这些年国家不停的开展针对传感器网络研究的项目，足以看出，无线传感器网络的重要性以及未来的可持续发展性。
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