基于虚拟力优化的无线传感器网络覆盖率matlab仿真

本文涉及的产品
实时数仓Hologres,5000CU*H 100GB 3个月
智能开放搜索 OpenSearch行业算法版,1GB 20LCU 1个月
检索分析服务 Elasticsearch 版,2核4GB开发者规格 1个月
简介: **摘要:**本文探讨了基于虚拟力优化提升无线传感器网络(WSNs)覆盖率的方法。通过在MATLAB2022a中仿真,显示了优化前后网络覆盖率对比及收敛曲线。虚拟力优化算法模拟物理力,以优化传感器节点布局,防止重叠并吸引至目标区域,同时考虑墙壁碰撞。覆盖计算利用平面扫描法评估圆形和正方形传感器的覆盖范围。算法通过迭代优化网络性能,以提高WSNs的监控能力。

1.程序功能描述
基于虚拟力优化的无线传感器网络覆盖率,仿真输出优化前后的网络覆盖率,覆盖率优化收敛迭代曲线。

2.测试软件版本以及运行结果展示
MATLAB2022a版本运行
1.jpeg
2.jpeg
3.jpeg

3.核心程序

```for t=1:Iter1
Fsvh = sqrt(Fsh^2+Fsv^2);
if Fsvh==0
Pxy(i,1)=Pxy(i,1)+0;
Pxy(i,2)=Pxy(i,2)+0;
else
Pxy(i,1)=Pxy(i,1)+Fsh/Fsvhstep2exp(-1/Fsvh);
Pxy(i,2)=Pxy(i,2)+Fsv/Fsvhstep2exp(-1/Fsvh);
end

    %约束
    if Pxy(i,1)<Xmin
AI 代码解读

Pxy(i,1)=Xmin;
end
if Pxy(i,1)>Xmax
Pxy(i,1)=Xmax;
end
if Pxy(i,2)Ymax
Pxy(i,2)=Ymax;
end
end
% 重新计算覆盖率
[Kidxs,summ,k1]=func_cover(Xk1,Yk1,Pxy,Radius);

Fgl(t) = summ/K;

end

figure;
plot(Fgl)
xlabel('迭代次数');
ylabel('覆盖率收敛曲线');

figure,
scales=[XminYmin;XminYmax;XmaxYmax;XmaxYmin];
fill(scales(:,1),scales(:,2),[0.8,0.8,0.8]);
hold on
plot(Pxy(:,1),Pxy(:,2),'r.','linewidth',5);
for i=1:Nodes
x1=Pxy(i,1)+Radiuscos(w);
y1=Pxy(i,2)+Radius
sin(w);
hold on
fill(x1,y1,'g')
end
axis([0 1000 0 900]);
xlabel('X/m');
ylabel('Y/m');
hold on
plot([XminXmax],[YminYmin],'k','linewidth',2);
hold on
plot([XminXmin],[YminYmax],'k','linewidth',2);
hold on
plot([XmaxXmax],[YminYmax],'k','linewidth',2);
hold on
plot([XminXmax],[YmaxYmax],'k','linewidth',2);
title(['优化后分布,覆盖率为:',num2str(Fgl(end))]);
30

```

4.本算法原理
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)由大量散布在特定区域的传感器节点组成,这些节点负责环境信息的采集和数据的无线传输。网络的覆盖率是衡量WSNs性能的关键指标之一,它反映了网络对监测区域的感知能力。为了提高覆盖率,研究者们提出了多种方法,其中基于虚拟力优化(Virtual Force-based Optimization)的方法因其直观性和有效性而备受关注。

4.1 虚拟力优化算法
虚拟力优化算法是一种基于物理模型的优化算法。它通过模拟物理力学的作用,从而对待优化问题的解进行优化。其基本思想是将待优化问题的解表示为一组点的位置,然后引入一些虚拟力(如斥力、引力等),从而对点的位置进行优化。

    虚拟力优化算法包括以下几个步骤:
AI 代码解读

初始化点的位置:随机生成一组初始点的位置。

计算虚拟力:根据问题的特点,计算每个点的斥力和引力。

更新点的位置:根据虚拟力的作用,更新每个点的位置。

终止条件:达到预定的终止条件后,输出最优解。

计算虚拟力:根据问题的特点,计算每个点的斥力和引力。具体来说,可以采用以下几个虚拟力:

(1)斥力:用于避免传感器之间的重叠。斥力大小与传感器之间的距离成反比,距离越近,斥力越大。

(2)引力:用于吸引传感器到目标区域。引力大小与传感器与目标区域的距离成反比,距离越近,引力越大。

(3)墙壁斥力:用于避免传感器与墙壁的碰撞。墙壁斥力大小与传感器与墙壁的距离成反比,距离越近,斥力越大。

更新点的位置:根据虚拟力的作用,更新每个点的位置。具体来说,根据每个点所受到的虚拟力的大小和方向,计算每个点的加速度,然后根据加速度更新每个点的速度和位置。

重复步骤4和5,直到达到预定的终止条件。

4.2 覆盖覆盖率计算
覆盖的计算,采用的是平面扫描法,对于两种传感器,一个圆形,一个正方形,那么对于每次优化得到的坐标,我们对整个平面区域进行扫描,计算每一个点是否处于某个或者多个传感器,如果满足这个条件,那么这个点计入到覆盖区域里面,然后扫描完所有点之后,统计一共多少个点呗扫描进去了,即覆盖率。

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