基于多目标优化的物联网网关部署方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物联网领域，具体涉及一种基于多目标优化的物联网网关部署方法。
【背景技术】
[0002] 物联网（InternetofThings,IoT)是通过射频识别（Radiofrequency identification,RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定 的协议把物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监 控和管理的一种物物相连的网络。
[0003] 随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，无线传感器网 络可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网的发展奠定基 础。由于无线传感器网络具有自组织、部署迅捷、高容错性和强隐蔽性等技术优势，因此非 常适用于战场目标定位、生理数据收集、智能交通系统和海洋探测等众多领域。
[0004] 在物联网系统中，各个感知节点采集的物品数据通过无线通信方式在中继节点的 控制下构成无线传感器网络，实现局部信息共享；各局部的无线传感器网络通过网关汇聚 到互联网中，最终实现信息的广域共享，无线传感器网络通过网关接入物联网的结构如图1 所示。。
[0005] 由于物联网中无线传感器网络的大部分流量汇聚于网关，离网关较近的节点服务 质量较好，而离网关较远的节点服务质量较差，各节点间存在服务质量的不公平性。因此， 网关常成为物联网性能的瓶颈，其部署合理与否对物联网性能有较大的影响。
[0006] 从数学问题角度上看，物联网系统下的网关部署问题实际上是二维平面内的几何 K中心问题，寻找网关的最优位置，缩小网关集覆盖半径是物联网系统中网关部署的核心问 题之一。同时，由于网关同时需要为多个节点提供数据转发服务，容易成为系统的网络性能 瓶颈，如何平衡各个网关的负载也是物联网网关部署过程中需要关注的问题之一。
[0007]目前，现有的物联网系统下的网关部署方法在寻找网关部署方案时，都以优化无 线传感器网络网关集覆盖半径为目标，而对于网关集内部各网关之间的负载平衡则缺乏必 要的考虑，使得各无线传感器网络在接入物联网时出现部分网关负载较高，而其它网关负 载较轻的问题，进而导致整个系统的整体性能下降。
[0008] 无线传感器网络网关集覆盖半径是物联网网关部署的重要评价指标，覆盖半径越 小通信质量越高，网络服务质量也会相应提高，物联网系统中网关部署的一个优化目标是 减小网关集覆盖半径；为提高整个网络的服务质量，在优化无线传感器网络网关集覆盖半 径的基础上，进一步平衡各个网关之间的负载水平；物联网系统中网关部署的另一个优化 目标就是使各网关之间的负载水平差距最小。
【发明内容】
[0009] 本发明为了克服现有方法的物联网网关部署将网关集覆盖半径作为单目标优化 而导致网关负载不均衡的问题，提出了基于多目标优化的物联网网关优化部署方法。
[0010] 优化网关集覆盖半径和网关负载均衡水平，采用多目标网关粒子群优化方法进行 网关位置的求解；具体过程如下：
[0011] 步骤一、建立多目标优化的物联网优化部署数学模型；
[0012] 步骤、建立网关集覆盖最小半径；
[0013] 步骤一二、建立网关负载最小水平差距；
[0014] 步骤二、根据多目标优化的物联网优化部署数学模型进行网关粒子的求解，获得 物联网网关部署位置；
[0015] 步骤二一、网关粒子初始化；
[0016] 步骤二二、计算网关粒子适应值；
[0017] 步骤二三、计算网关粒子个体极值；
[0018] 步骤二四、计算网关粒子全局极值；
[0019] 步骤二五、计算网关粒子全局极值的均值与距离；
[0020] 步骤二六、网关粒子个体极值的均值与距离；
[0021] 步骤二七、更新网关粒子位置与速度向量；
[0022] 步骤二八、输出网关最优部署位置坐标，获得基于多目标优化的物联网网关部署 位置。
[0023] 本发明有益效果：
[0024] 1、本发明通过使网关集覆盖半径最小和网关负载均衡水平差距最小，采用多目标 网关粒子群优化方法进行网关位置的求解，提高网络的服务质量；
[0025] 2、本发明提出的基于多目标优化物联网网关部署方法在保证覆盖半径不变 的情况下，能够有效的平衡各个网关之间的负载；在网关数量为3时，负载平衡性提高 (22-1)/22 = 95% ;在网关数量为5时，负载平衡性提高（35-1)/35 = 97. 5% ;在网关数量 为7时，负载平衡性提高（51-1)/51 = 98% ;提高网络服务质量。
【附图说明】
[0026] 图1为无线传感器网络通过网关接入物联网示意图；
[0027] 图2为物联网下无线传感器网络节点关系示意图图；
[0028] 图3为网关数量为3时，单目标优化下物联网网关部署关系示意图图，其中菱形框 为网关位置；
[0029] 图4为网关数量为3时，多目标优化下物联网网关部署关系示意图，其中方型框为 网关位置；
[0030] 图5为网关数量为5时，单目标优化下物联网网关部署关系示意图，其中菱形框为 网关位置；
[0031] 图6为网关数量为5时，多目标优化下物联网网关部署关系示意图，其中方型框为 网关位置；
[0032] 图7为网关数量为7时，单目标优化下物联网网关部署关系示意图，其中菱形框为 网关位置；
[0033] 图8为网关数量为7时，多目标优化下物联网网关部署关系示意图，其中方型框为 网关位置。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0034] 一：本实施方式的基于多目标优化的物联网网关部署方法，本实施 方式按照以下步骤来实现：
[0035] 步骤一、建立多目标优化的物联网优化部署数学模型；
[0036] 步骤 、建立网关集覆盖最小半径；
[0037] 步骤一二、建立网关负载最小水平差距；
[0038] 步骤二、根据多目标优化的物联网优化部署数学模型进行网关粒子的求解，获得 物联网网关部署位置；
[0039] 步骤二一、网关粒子初始化；
[0040] 步骤二二、计算网关粒子适应值；
[0041] 步骤二三、计算网关粒子个体极值；
[0042] 步骤二四、计算网关粒子全局极值；
[0043] 步骤二五、计算网关粒子全局极值的均值与距离；
[0044] 步骤二六、网关粒子个体极值的均值与距离；
[0045] 步骤二七、更新网关粒子位置与速度向量；
[0046] 步骤二八、输出网关最优部署位置坐标，获得基于多目标优化的物联网网关部署 位置。
[0047] 本实施方式有益效果：
[0048] 本实施方式通过使网关集覆盖半径最小和网关负载均衡水平差距最小，采用多目 标网关粒子群优化方法进行网关位置的求解，提高网络的服务质量。
[0049]
【具体实施方式】二：本实施方式与【具体实施方式】一不同的是：其特征在于所述的步 骤一建立多目标优化的物联网优化部署数学模型步骤如下：
[0050] 步骤一一建立网关集覆盖最小半径如式（1)所示：
[0052] 其中，物联网系统中Μ个网关组成的网关集W，W中网关wn在二维平面的坐标为： wm= (xm,ym)，m= 1，2,...，M;节点rn，其中η彡N，节点rn选择网关^作为服务节点，其中 m彡M;rn包含在网关w"的服务集S"中，即rneS网关w"与其服务集S"中节点之间的最
为网关集覆盖半径；整个无线传感器网络中所 有网关的最大覆盖半径为
为无线传感器网络 网关集覆盖半径；
[0053] 步骤一二建立网关负载最小水平差距如式（2)所示：
[0055] 其中，SJPS,分别为第i和第j个网关的服务集，其中，1彡i，j彡Μ;物联网系统 中接入互联网的本地无线传感器网络为G，本地无线传感器网络G包含待接入互联网的节 点包括感知节点和中继节点，互联网的节点数量为N，其中1SNS500,部署Μ个网关实现 无线传感器网络的接入，其中1 =Μ= 10 ;| |S」|。为整个无线传感器网络中选择网关^作 为服务节点的感知节点和中继节点的数量；
[0056] 综合式（1)和式（2)即为多目标优化的物联网优化部署数学模型。
【具体实施方式】 [0057] 三：本实施方式与一或二不同的是：其特征在于，所 述的步骤二中进行网关粒子的求解，获得物联网网关部署位置方法：
[0058] 根据建立多目标优化的物联网优化