基于GA遗传优化的WSN网络最优节点部署算法matlab仿真

1.程序功能描述
        基于GA遗传优化的WSN网络最优节点部署算法matlab仿真，通过遗传优化，获得最少得节点数量，达到最大的节点覆盖率。

2.测试软件版本以及运行结果展示
MATLAB2022A版本运行

初始节点数量15：

初始节点数量25：

初始节点数量40：

3.核心程序

% 获取最佳解并绘制优化后的节点部署
[V,I] = min(Jit1); 
Xbest = Xga(I,1:Nnode); 
Ybest = Xga(I,1+Nnode:Nnode+Nnode); 
Nbest = round(Xga(I,end));
 
subplot(122);
 
for i=1:Nbest
    func_cover([Xbest(i),Ybest(i)],rd,1000,'r');
    hold on 
    x1_=Xbest(i)+rd*cos(w);
    y1_=Ybest(i)+rd*sin(w);
    fill(x1_,y1_,'g','FaceAlpha',0.3)
    plot(Xbest(i),Ybest(i),'b.');
    hold on
    i=i+1;
end
axis([0,width,0,high]);
 
[Coverage1,Coverage2] = func_fitness(Xbest,Ybest,Nbest);
title(['优化后','WSN节点数量:',num2str(Nbest),',WSN覆盖率:',num2str(100*Coverage1),'%']);
 
figure;
subplot(121);
bar([Nnode,Nbest]);
xlabel('1:优化前,  2:优化后');
ylabel('节点数量');
 
subplot(122);
bar([100*Coverage1b,100*Coverage1]);
xlabel('1:优化前,  2:优化后');
ylabel('覆盖率%');
% 绘制适应度变化曲线
figure
plot(Favg,'b','linewidth',1);   % 平均适应度曲线
xlabel('迭代次数');
ylabel('适应度值');
grid on
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4.本算法原理
       无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）的最优节点部署问题旨在通过合理配置传感器节点的位置，以达到特定的网络覆盖或其他性能指标的最大化。遗传算法（Genetic Algorithm, GA）作为一种启发式优化算法，能够有效解决这类复杂的优化问题。

4.1 遗传算法基础
        遗传算法灵感来源于自然界生物进化过程中的遗传和自然选择机制，主要包括以下几个核心步骤：初始化、选择、交叉、变异。

初始化：随机生成初始种群，每个个体代表一个可能的解决方案，即一组传感器节点的位置配置。
评估：根据一定的评价函数（fitness function）计算每个个体的适应度，该函数反映了该解决方案满足目标性能指标的程度。
选择：根据个体的适应度进行选择，适应度高的个体有更高的概率被选中作为“父母”参与下一代的繁殖。
交叉：通过交叉操作交换“父母”个体的部分基因，生成新的“子代”个体，以引入多样性。
变异：以一定概率对子代个体的某些基因进行随机修改，进一步增加种群的多样性。
4.2 WSN节点部署问题建模
        设WSN的监测区域为 D⊂R2，需要部署 N 个传感器节点，每个节点 i 的位置为pi​=(xi​,yi​)∈D。假设每个节点的感知范围为R，覆盖目标区域的期望程度可以用覆盖度C 来衡量，通常定义为被至少一个节点覆盖的区域面积与整个监测区域面积的比值。

4.3 适应度函数设计
       适应度函数F(p1​,p2​,...,pN​) 应反映网络的覆盖效率及可能的其他约束条件。一个简单的覆盖度最大化适应度函数可以表示为：

在实际设计过程中，一般采用网格化方式，来计算覆盖率。