基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ㄑ芯?

宋偉奇王代遠(yuǎn)

(1.柳州城市職業(yè)學(xué)院,廣西 柳州545036;2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州545004)

0 引言

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、車輛網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的部署規(guī)模越來越大,性能穩(wěn)定性與生存時間的需求越來越高.[1-2]面對大規(guī)模WSN部署,如何提供優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和瓶頸.[3-4]傳統(tǒng)WNS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化多數(shù)是基于節(jié)點(diǎn)能量的約束,通過能耗均衡度量WSN的控制優(yōu)劣,例如,文獻(xiàn)[5]通過節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)度聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了拓?fù)涞膬?yōu)化分析,但是能耗約束限制了節(jié)點(diǎn)度本身的擴(kuò)展,拓?fù)鋽?shù)量有限;文獻(xiàn)[6]進(jìn)一步將容錯控制方法引入到拓?fù)淇刂七^程,但是忽略了模型約束條件本身的物理邊界和應(yīng)用背景,失去了應(yīng)用的普適性.隨后,研究人員提出采用節(jié)點(diǎn)能量和容量參數(shù)進(jìn)行約束優(yōu)化的思想,先后提出了POA[7]和FTEL[8]拓?fù)浞椒?有效緩解了數(shù)據(jù)擁塞問題,但是引入了過多的擁塞判斷機(jī)制,導(dǎo)致計算復(fù)雜、實(shí)時性差,而且在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓黾拥那闆r下,穩(wěn)定性急劇降低;[9]文獻(xiàn)[10]將博弈論的思想引入到節(jié)點(diǎn)優(yōu)化系統(tǒng),構(gòu)建了分布式控制過程,但僅給出了理論分析,同時缺乏對節(jié)點(diǎn)權(quán)重本身影響的分析.而且,現(xiàn)有針對無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯烤窃谟邢薜墓?jié)點(diǎn)布局情況下的系數(shù)分布式部署,沒有考慮未來節(jié)點(diǎn)規(guī)模增加以及部署密度較大的應(yīng)用場景,[11]導(dǎo)致現(xiàn)有的擁塞優(yōu)化方法很難解決密集部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的擁塞問題,進(jìn)一步增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗,加劇了網(wǎng)絡(luò)的消亡過程.

針對現(xiàn)有研究中存在的問題和不足,筆者立足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源耗盡和鏈路數(shù)據(jù)完全堵塞兩個極端情況進(jìn)行拓?fù)淇刂品椒ǖ膬?yōu)化,提出了一種節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?構(gòu)建了節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型,推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)最長生命周期的約束條件,并基于生存時間和節(jié)點(diǎn)可靠權(quán)值的約束條件下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)權(quán)值的優(yōu)化,提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和壽命周期.最后,基于計算機(jī)仿真對本文方法的性能進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析.

1 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠度是度量節(jié)點(diǎn)生存能力和能耗高低的主要指標(biāo)之一,為構(gòu)建有效的優(yōu)化模型,本文根據(jù)能量耗盡失效以及鏈路完全堵塞失效兩種極端工況進(jìn)行模型的構(gòu)建,并詳細(xì)推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)可靠度權(quán)值同各參量之間的約束關(guān)系.常用節(jié)點(diǎn)可靠度的表示為[12]

其中,f e(i)和f c(i)分別表示節(jié)點(diǎn)i在能量耗盡和完全堵塞情況下的失效概率.根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究,可將f e(i)計算為

式(2)中,E0(i)、E c(i)t分別是能量初值和消耗值,t為網(wǎng)絡(luò)生命長度時間(計算中考慮實(shí)際運(yùn)行時間).

如果采用一階模型,在距離為d的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸lbit信息,則可以將發(fā)送信息能量消耗值計算為

接收信息能量消耗值計算為

其中,Etx和Erx分別表示發(fā)送和接收的能量消耗值,Eelec表示無線發(fā)射傳輸系數(shù),εamp為無線發(fā)射鏈路的放大系數(shù).則總能耗E c(i)為

可將傳輸路徑長度d和節(jié)點(diǎn)度k的關(guān)系表示為[14]

聯(lián)合式(5)和(6),則有

聯(lián)合式(7)和(2),則有

其中,

如果將交換信息量表示為l,則最大負(fù)載可以表示為如果通信鏈路的最大容量為C0,則鏈路完全擁塞的節(jié)點(diǎn)失效概率計算為

聯(lián)合(8)、(11)和式(1),可將節(jié)點(diǎn)可靠度表示為

2 壽命約束條件分析

該部分主要分析網(wǎng)絡(luò)壽命的約束調(diào)條件,網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提是高于最低生存時間閾值tmin,即t≥tmin,等價為節(jié)點(diǎn)度要高于最低閾值kmin,即≥kmin,根據(jù)式(12)可以進(jìn)一步將兩種關(guān)系表示為

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠度最大時,其失效概率應(yīng)該滿足R(i)=R0(i),則網(wǎng)絡(luò)生存時間可以表示為[15]

對式(14)求導(dǎo),可以將網(wǎng)絡(luò)生存時間的約束節(jié)點(diǎn)度計算為

式(17)即為網(wǎng)絡(luò)壽命的時間約束條件,相比現(xiàn)有的研究,[16-18]本文節(jié)點(diǎn)優(yōu)化理論上能夠有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶⒂行а娱L生命周期.

3 計算機(jī)仿真分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性,基于 MATLAB 2015a軟件構(gòu)建了仿真網(wǎng)絡(luò)平臺,并將優(yōu)化結(jié)果同文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的方法進(jìn)行了量化對比分析.仿真實(shí)驗(yàn)中采用的參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置說明Tab.1 Experimental parameter setting instructions

3.1 穩(wěn)定性與可靠性分析

隨著數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量耗盡或者完全堵塞的情況下,節(jié)點(diǎn)會失效,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性降低.為了度量網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性,在仿真中隨機(jī)構(gòu)建了200個節(jié)點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在每一次傳輸?shù)倪^程中,要求所有節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)交互,并在實(shí)驗(yàn)過程中記錄能量耗盡和完全堵塞的節(jié)點(diǎn),記錄為消亡節(jié)點(diǎn),最后生存下載的節(jié)點(diǎn)中,保持最大聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)即代表了該網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,從圖1中可以明顯看出,隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間的增加,三種方法的穩(wěn)定性和可靠性均在降低,但是文獻(xiàn)[7]方法下降最快,穩(wěn)定性最差,文獻(xiàn)[8]方法要優(yōu)于文獻(xiàn)[7]方法,但是總體而言,而本文方法保持了較好的穩(wěn)定性和可靠性,有效提高了無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)健性.

圖1 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性曲線Fig.1 Network stability curve

3.2 壽命長度分析

在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的同時,還要分析網(wǎng)絡(luò)的生存能力,根據(jù)第2部分的分析可以看出,平均節(jié)點(diǎn)度越高,其能耗就越大,節(jié)點(diǎn)的壽命就越短,該部分主要針對設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出,傳統(tǒng)的文獻(xiàn)[7]算法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而呈現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象,主要是因?yàn)樵摲椒▏?yán)重依賴節(jié)點(diǎn)個數(shù)和使用的數(shù)據(jù)交換路徑個數(shù),隨著數(shù)量的增加,計算復(fù)雜度也在增加,導(dǎo)致壽命急劇降低.而本文方法和文獻(xiàn)[8]方法保持了較好的生存能力,相比較而言,本文方法取得了更好的生存能力,其節(jié)點(diǎn)度始終維持在4左右,幾乎與節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加沒有關(guān)系,主要是因?yàn)楸疚姆椒ɑ诠?jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,通過優(yōu)化控制,分布式執(zhí)行,在提升精度和效率的同時,不受節(jié)點(diǎn)個數(shù)和路徑個數(shù)的限制,具有穩(wěn)定的長壽命特性.

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命曲線Fig.2 Network node life curve

4 結(jié)語

通過構(gòu)建節(jié)點(diǎn)可靠度模型以及理論分析得出了在節(jié)點(diǎn)可靠度最大且網(wǎng)絡(luò)生存時間最長的條件下的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)度,進(jìn)而依據(jù)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)度提出了一種基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?最后通過計算機(jī)仿真驗(yàn)證了本文方法具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)生存能力和可靠性,為WCN拓?fù)淇刂苾?yōu)化提供了一定的借鑒.后續(xù)的研究中將主要針對實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行算法性能的測試和優(yōu)化研究,進(jìn)一步提升該方法的實(shí)用性.