無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)化方法

呂弘

摘要

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在檢測區(qū)域部署的大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)單點(diǎn)能量都有限，并且不容易補(bǔ)充。所以，節(jié)約能耗，有效延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)的主要目的。網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要技術(shù)，利用節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度的手段，基于保證網(wǎng)絡(luò)連通性及覆蓋程度，根據(jù)相應(yīng)的原則使節(jié)點(diǎn)輪替工作，能夠降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，使網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間延長，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化。本文對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度進(jìn)行分析，提出無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)化的方法。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)調(diào)度 優(yōu)化

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集量化、無線傳輸、處理融合，其也是信息收集的革命。在部署方式、感知精度、投入成本等方面具有一定的優(yōu)勢，使其能夠在國家安全、國防軍事、環(huán)境檢測中廣泛使用?；诖耍疚木蛯o線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)化的方法作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

網(wǎng)絡(luò)覆蓋能夠作為根據(jù)不同的地理位置傳感器節(jié)點(diǎn)探測感知服務(wù)質(zhì)量總度量，傳感器覆蓋模型屬于此度量的基礎(chǔ)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題研究和傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋模型具有密切的聯(lián)系，其和不同類型傳感器節(jié)點(diǎn)感知功能、應(yīng)用需求等因素相關(guān)。充分考慮探測概率與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型的創(chuàng)建。

在邊長Lm二維正方形區(qū)域Ω中隨機(jī)部署N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并且假設(shè)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)具備以下的性質(zhì)：

（1）全部的節(jié)點(diǎn)都是使用概率覆蓋模型;

（2）同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，全部節(jié)點(diǎn)的感知半徑Rs和初始能量E0都相同;

（3）利用全向天線，不同節(jié)點(diǎn)能夠和相鄰的2Rs距離中的節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信;

（4）不同節(jié)點(diǎn)具備唯一的標(biāo)識(shí)ID，部署節(jié)點(diǎn)以后固定，節(jié)點(diǎn)位置信息能夠利用GPS裝置或其他的定位系統(tǒng)進(jìn)行感知;

（5）全部節(jié)點(diǎn)都具備準(zhǔn)備、活躍、準(zhǔn)備休眠、休眠四種狀態(tài)。

對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)i的監(jiān)控區(qū)域中任何一個(gè)點(diǎn)p感知強(qiáng)度s（i，p）定義成為：

其中d（i，p）指的是傳感器節(jié)點(diǎn)i和點(diǎn)p的歐氏距離。β指的是感應(yīng)信號(hào)衰弱的指標(biāo)，一般無線電信號(hào)的β取值范圍在2.0-5.0之間。在點(diǎn)p在節(jié)點(diǎn)s的地方，d（i，p）=0，這個(gè)時(shí)候的S（i，p）=1。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的優(yōu)化方法

為了使節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法中的每個(gè)子集節(jié)點(diǎn)都能夠隨機(jī)均勻的分布，對(duì)節(jié)點(diǎn)平均度概念度量網(wǎng)絡(luò)稀疏性進(jìn)行了定義。

節(jié)點(diǎn)鄰居：指的是在節(jié)點(diǎn)通行區(qū)域中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;

節(jié)點(diǎn)平均度：指的是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量的期望值。

以概率論中幾何概率定義為基礎(chǔ)，WSN中節(jié)點(diǎn)在面積為a²的平面區(qū)域中概率：

其中的Rt指的是節(jié)點(diǎn)通信半徑，那么隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)具備t個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)概率表示為：

網(wǎng)絡(luò)平均度：指的是在任何一個(gè)時(shí)間中，只有一個(gè)子集中節(jié)點(diǎn)較為活躍，通過此活躍節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)就是子網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量期望值也就是子網(wǎng)絡(luò)平均度。

定義收集采樣函數(shù)f△：△→V指的是區(qū)域D中有限采樣集合△中無線傳感器節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)。大量的環(huán)境科學(xué)都是使用空間數(shù)據(jù)及差值作為推測沒有檢測位置的環(huán)境指標(biāo)、逼近物理指標(biāo)在所有區(qū)域中分布的方法，比如最小二乘法、樣條方法等。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，擬合算法計(jì)算復(fù)雜度及通信復(fù)雜度都要控制到一定程度中。所以，使用最小二乘法作為簡單的擬合算法。

最小二乘擬合屬于一種數(shù)學(xué)的優(yōu)化技術(shù)，利用最小化函數(shù)值平方尋找一組數(shù)據(jù)最佳的擬合。在線性最小二乘擬合過程中，近似函數(shù)fD指的是一組基函數(shù)H=（h1，…，hk）線性組合：

tD=（x，y）=wihi（x，y）

使采樣函數(shù)f△和奇函數(shù)集合H的求解優(yōu)化問題就是確定西湖：

w=（w1，t，wk）^T

使均方根偏差RMSE為：

將其轉(zhuǎn)化成為求解下列線性方程組：

Aw=b

此種線性方程組能夠使用高斯削去法進(jìn)行求解，求解的過程計(jì)算復(fù)雜度為O（k3），其中的k指的是系數(shù)個(gè)數(shù)。使用恰當(dāng)選擇k值使其能夠比采樣點(diǎn)數(shù)量△小，就能夠得到感知豐富、緊致的描述，并且此消耗代價(jià)能夠承受。

之后對(duì)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法的性能進(jìn)行分析，對(duì)每個(gè)感知柵格層次能量消耗計(jì)算公式表示為：

在一個(gè)100*100的正方形區(qū)域中對(duì)氣溫狀態(tài)進(jìn)行檢測，并且假設(shè)區(qū)域中的氣溫值在0-50度之間。將目標(biāo)區(qū)域中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建三層感知柵格，。實(shí)現(xiàn)子區(qū)域的劃分，每個(gè)區(qū)域中使用四個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)感知任務(wù)執(zhí)行。為了對(duì)問題簡化，將感知和數(shù)據(jù)處理過程中的能量消耗進(jìn)行忽略，只是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗比重主導(dǎo)通信部分進(jìn)行考慮。不同感知柵格層次能耗有效性結(jié)果，和預(yù)計(jì)的符合，低分辨率感知上層的層次感知進(jìn)度較低，能耗較少，表示多分辨率調(diào)度模型能夠平衡感知精度和能量消耗。

3 結(jié)束語

傳感器屬于能夠?yàn)槿藗兲峁┩卣垢兄臻g及實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測控制的全新工具，其能夠提供感知及計(jì)算能力，在不同領(lǐng)域中廣泛使用。傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過自組織方面構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，但是有限節(jié)點(diǎn)電源能量無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。所以，本文就實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的優(yōu)化，通過測試結(jié)果表示，此方法能夠滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

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