基于MATLAB虚拟力算法的无线传感器网络覆盖优化

2023-10-05 07:42:52

引言

无线传感器网络（WSN）在环境监测、工业自动化和军事侦察等领域有着广泛的应用。网络覆盖率是WSN的关键性能指标之一，它直接影响网络的感知能力和通信质量。近年来，虚拟力算法（VFA）因其简单高效的特点而被广泛应用于WSN覆盖优化问题。

虚拟力算法

VFA将传感器节点视为受虚拟力作用的粒子。节点之间的吸引力和排斥力通过以下公式计算：

F_att = -k * r / (r^2 + ε^2)
F_rep = k * exp(-r / ε)

其中，F_att为吸引力，F_rep为排斥力，k为常数，r为节点间距离，ε为影响范围。

基于VFA的覆盖优化

本文提出的基于VFA的覆盖优化方法包括以下步骤：

初始化节点位置： 随机生成传感器节点的初始位置。
计算虚拟力： 根据VFA计算节点之间的虚拟力。
更新节点位置： 根据虚拟力更新节点位置，使得网络覆盖率最大化。
能量消耗和连通性检查： 检查更新后的节点位置是否满足能量消耗和网络连通性约束。
重复步骤2-4： 重复上述步骤，直至满足优化目标。

MATLAB源码

% 节点数量
N = 100;

% 传感器覆盖范围
r = 20;

% 虚拟力常数
k = 0.1;

% 影响范围
ε = 0.5;

% 最大迭代次数
max_iter = 1000;

% 初始化节点位置
nodes = rand(N, 2) * 100;

for iter = 1:max_iter
    % 计算虚拟力
    forces = zeros(N, 2);
    for i = 1:N
        for j = i+1:N
            r_ij = norm(nodes(i, :) - nodes(j, :));
            F_att_ij = -k * r_ij / (r_ij^2 + ε^2);
            F_rep_ij = k * exp(-r_ij / ε);
            forces(i, :) = forces(i, :) + F_att_ij * (nodes(j, :) - nodes(i, :)) / r_ij;
            forces(j, :) = forces(j, :) + F_rep_ij * (nodes(i, :) - nodes(j, :)) / r_ij;
        end
    end

    % 更新节点位置
    nodes = nodes + 0.01 * forces;

    % 检查能量消耗和连通性
    if check_energy(nodes, r) && check_connectivity(nodes, r)
        break;
    end
end

% 绘制覆盖区域
figure;
scatter(nodes(:, 1), nodes(:, 2), 50, 'b', 'filled');
hold on;
viscircles(nodes, r * ones(N, 1), 'Color', 'r', 'LineWidth', 1);
title('传感器网络覆盖优化');
legend('传感器节点', '覆盖区域');
grid on;
hold off;