物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測中的應(yīng)用

張 華

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引言

隨著移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，采用移動無線通信方法進行數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的主要途徑，在進行移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計中，特別是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)通信設(shè)計中，由于節(jié)點的能量具有有限性，能耗是決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命周期的重要指標，需要對網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點進行能耗監(jiān)測，通過實時的能量補充，保障移動無線傳感組網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行.研究網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測方法，在網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計和能量管理中具有重要意義[1].采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)分布組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合對節(jié)點采集的能量特征進行數(shù)據(jù)分析和能耗預(yù)測，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測方法.采用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化組網(wǎng)方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點測試功耗的衡量標準，采用能耗分簇調(diào)度協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測及最優(yōu)化能耗管理，提高網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源調(diào)度和能耗配置能力.最后進行實驗測試分析，展示了該方法在提高網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測能力方面的優(yōu)越性能.

1 網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集及節(jié)點優(yōu)化部署

1.1 網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集

為了實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的能耗監(jiān)測和能耗管理，需要首先構(gòu)建移動網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，采用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化組網(wǎng)方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源采集的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)模型[2]，根據(jù)移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始能量分布進行能量檢測和功耗控制，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集模型，得到節(jié)點的優(yōu)化部署模型如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集模型

根據(jù)圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和能量采集模型，在物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下進行能耗監(jiān)測，假設(shè)待分析的移動網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點組網(wǎng)有ZigBee組網(wǎng)協(xié)議構(gòu)成[3]，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布為一個簇首節(jié)點和若干個Sink節(jié)點構(gòu)成，采用分簇成員組合方法，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)節(jié)點組網(wǎng)模型，采集的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的損失動態(tài)功耗：

(1)

(1)式中，網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的翻轉(zhuǎn)次數(shù)用Si表示，此網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能量譜密度用Fi表示，移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)負載電容用C0表示，系統(tǒng)中量測配置電壓用VDD表示.在對能耗數(shù)據(jù)的采集、測量、傳輸、轉(zhuǎn)換過程中，假如系統(tǒng)中量測的時序特性用TPk=(Vk-1，Vk)表示，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的測試功耗：

(2)

(2)式中，網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的超低頻振蕩能耗數(shù)據(jù)都用i概括了，S(i，k)節(jié)點i跳變的次數(shù).為了提高網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測的動態(tài)穩(wěn)定性，建立時鐘周期，用字母T表示，利用直流的附加控制 方法進行動態(tài)功耗抑制[4]，得到初始檢測功耗特征量Einst(Vk)表示，那么可以用下式計算瞬時功耗：

(3)

網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源的總功耗用Etotal表示，那么有：

(4)

網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源峰值功耗用Epeak表示，采用多直流的分散協(xié)調(diào)控制，進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗的峰值數(shù)據(jù)采樣，則有：

Epeak=max[Einst(Vk)] .

(5)

若有長度為L的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗測試向量，用Eave表示平均能耗，則有：

(6)

從上述的一系列公式，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗的數(shù)據(jù)采集模型，根據(jù)整體阻尼特征值確定網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的峰值電壓VDD，表示為一個定值，根據(jù)能耗采集結(jié)果，進行節(jié)點的優(yōu)化部署設(shè)計[5].

1.2 移動節(jié)點分布路由探測及部署模型

在上述進行了節(jié)點資源能耗監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化組網(wǎng)方法進行功耗監(jiān)測，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源采集的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)模型，在隨機鏈路檢測協(xié)議下得到移動節(jié)點分布路由探測協(xié)議[6]，網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的負載電容C0是定值，用Si×Fi表示網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的分布覆蓋區(qū)域，將Si×Fi單獨定義為被監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點i的隨機分布鏈路集，因此，采用直流功率調(diào)制方法，得到網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的被測特征分布向量為TP=(V1，V2，…，Vn)，k=1，2，…，n-1，那么測試物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的總功耗、平均功耗和峰值功耗用WSA來表示[7]，則物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)測試總功耗為：

(7)

采用直流調(diào)制抑制方法，得到物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的測試平均功耗為：

(8)

在移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始能量一定的情況下，測試峰值功耗為：

WSApeak=max[WSA] .

(9)

移動節(jié)點分布路由探測的分配協(xié)議的能量分配Convergence Metric指標定義為：

(10)

其中：

P*— 整個網(wǎng)絡(luò)的濾波器的low-Vt單元，P*為：

P*=(P1，P2，…，P|P*|) .

(11)

根據(jù)上述分析，采用自適應(yīng)均衡鏈路配置方法，進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源功耗監(jiān)測的收斂性度量[8]，得到路由節(jié)點的優(yōu)化功耗檢測閾值函數(shù)為：

(12)

在全連接層中，基于暫態(tài)能量管理方法，得到網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點vV的時序裕度用SL(v)表示，Spacing指標，考慮直流調(diào)制模型，得到物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的最優(yōu)節(jié)點部署為：

(13)

其中：

k—周期性收發(fā)數(shù)據(jù)的吞吐量.

采用如上路由協(xié)議設(shè)計節(jié)點定位部署模型，進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測和自適應(yīng)控制設(shè)計[9].

2 網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計

2.1 移動節(jié)點資源能耗信息融合處理

在上述構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗采集模型并進行了監(jiān)測節(jié)點的優(yōu)化部署設(shè)計的基礎(chǔ)上，對采集的能耗數(shù)據(jù)進行融合處理，網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的覆蓋區(qū)域為W，每個物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離基站的距離采用歐式距離表示，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源采集的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)模型[10]，采用分簇路由調(diào)度方法，得到物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)分簇能耗負載均衡狀態(tài)方程為：

v(I)=c·sgn(ΔGσ×I)(|Gσ×I|) .

(14)

其中：

sgn(ΔGσ×I)—物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗資源的隨機分布檢測系數(shù).

容易驗證，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源能耗分布的負載均衡值為：

(15)

采用模糊關(guān)聯(lián)特征檢測方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗信息融合處理，由此得到分布式網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)執(zhí)行和能量調(diào)度模型：

(16)

由此得到物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)相干均衡模型，采用相關(guān)性檢測方法，當發(fā)送長度為nbits數(shù)據(jù)時的節(jié)點的能耗開銷表達式為：

(17)

ERx=n×eRx=

(18)

式中，eRx表示每個物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始能量，βji表示物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的能量聚集系數(shù)，ti1，j1表示簇首與節(jié)點間距離.根據(jù)上述分析，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點資源功耗信息融合.

2.2 功耗監(jiān)測的實現(xiàn)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點測試功耗的衡量標準，采用能耗分簇調(diào)度協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測及最優(yōu)化能耗管理，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測的容異關(guān)系結(jié)構(gòu)表見表1.

表1 網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測的容異關(guān)系

在進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)測端，采用兩串二進制碼，分別是1010100和1010111進行輸出功耗的信息編碼.通過對比發(fā)現(xiàn)，兩串網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的第1位，第3位，第5位相異，其他位相容，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點傳輸協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)測，得到網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)測的測試集和訓(xùn)練集.

移動節(jié)點功耗監(jiān)測測試集：

V4：X1XX01010

V3：XX1010011

V2：1010100111

V1：1100101X11

移動節(jié)點功耗監(jiān)測訓(xùn)練集：

V4：101001010

V3：100100111

V2：111001011

V1：110100111

移動節(jié)點功耗監(jiān)測填充集：

V4：110100101

V3：111001011

V2：110100110

V1：011000001

圖2 功耗檢測的電路結(jié)構(gòu)圖

移動節(jié)點功耗監(jiān)測模糊量化特征集：

V4：11100010

V3：11100101

V2：11110010

V1：01100111

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測及最優(yōu)化能耗管理，監(jiān)測電路如圖2所示.

3 實驗測試分析

為了驗證該方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測中的應(yīng)用性能，進行實驗測試分析，實驗采用Matlab 7.0進行算法編程設(shè)計，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的節(jié)點數(shù)為2 000個，Sink節(jié)點數(shù)為10，輪換迭代數(shù)為1 200，網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的Die Size大小為300*120 μm2，節(jié)點的資源能耗監(jiān)測閥值為0.23，得到能耗監(jiān)測輸出如圖3所示.

分析圖3得知，采用該方法能有效實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)控，測試能耗的波動幅值，得到測試結(jié)果如圖4所示.

分析圖4得知，該方法能有效檢測到節(jié)點資源的能耗波動，測試各方案進行能耗監(jiān)測的準確性，得到對比結(jié)果見表2，分析表2得知，該方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的能耗監(jiān)控的準確性能較好.

圖3 能耗監(jiān)測輸出圖4 能耗波動性能測試

表2 性能對比

4 結(jié)語

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)分布組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合對節(jié)點采集的能量特征進行數(shù)據(jù)分析和能耗預(yù)測，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測方法.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源采集的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)模型，用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化組網(wǎng)方法進行功耗監(jiān)測，采用直流功率調(diào)制方法，測試物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)下的移動網(wǎng)絡(luò)的總功耗、平均功耗和峰值功耗，采用自適應(yīng)均衡鏈路配置方法，進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源功耗監(jiān)測的收斂性度量，采用能耗分簇調(diào)度協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源能耗監(jiān)測及最優(yōu)化能耗管理，提高網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源調(diào)度和能耗配置能力，實現(xiàn)節(jié)點的能耗可靠性監(jiān)測.研究得知，采用該方法進行網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點資源功耗監(jiān)控的準確性較高，動態(tài)檢測能力較強.