傳感網(wǎng)中無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ脱芯烤C述

王瑩

摘? 要： 介紹無(wú)標(biāo)度模型的特點(diǎn);通過(guò)經(jīng)典的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程，介紹結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)建立的傳感網(wǎng)無(wú)標(biāo)度演化模型的研究現(xiàn)狀;分析和比較不同方法的特點(diǎn)?，F(xiàn)有方法雖然可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但仍然存在一些問(wèn)題?；诖?，總結(jié)傳感網(wǎng)無(wú)標(biāo)度演化模型在節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)剩余能量、鏈路增減和節(jié)點(diǎn)生命期等方面可能存在的研究熱點(diǎn)，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新方向。

關(guān)鍵詞： 無(wú)標(biāo)度模型; 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 節(jié)點(diǎn)度; 節(jié)點(diǎn)剩余能量

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）05-09-03

Abstract： This paper introduces the characteristics of the scale-free model. Through the construction process of classic scale-free networks， the research status of the scale-free evolution model of sensor networks built by combining with the characteristics of wireless sensor networks is introduced; the characteristics of different methods are analyzed and compared. Although the existing methods can extend the networks lifetime， there are still some problems. On this basis， the research hotspots of scale-free evolution model of wireless sensor networks are summarized in node degree， node residual energy， link increase or decrease and node lifetime etc.， putting forward the new development direction of wireless sensor networks.

Key words： scale-free model; wireless sensor networks; node degree; node residual energy

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織形式，以多跳方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的[1]，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用，可用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、空間探索和城市交通管理[2]。布置在惡劣環(huán)境中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)能量受限的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常有節(jié)點(diǎn)失效的情況發(fā)生[3]。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)槟芰亢谋M或其他故障退出網(wǎng)絡(luò);有些節(jié)點(diǎn)可能處于工作狀態(tài)，而有些節(jié)點(diǎn)可能處于關(guān)閉狀態(tài)即沒(méi)有參與網(wǎng)絡(luò)通訊;也有可能會(huì)新增大量的節(jié)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常將網(wǎng)絡(luò)中最早失效的傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間定義為網(wǎng)絡(luò)的生命期[4]，網(wǎng)絡(luò)擁有較長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的容錯(cuò)拓?fù)鋵?duì)于提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能具有重要的意義。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存性問(wèn)題，對(duì)目前已有的無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ脱娱L(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的方法進(jìn)行分析。

1 無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)是指節(jié)點(diǎn)度服從冪律分布的網(wǎng)絡(luò)，通常把節(jié)點(diǎn)度服從冪律分布的特性稱(chēng)為無(wú)標(biāo)度特性。無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)建模把重點(diǎn)放在把握網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)演化的特性，用無(wú)標(biāo)度理論構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不僅對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效具有很強(qiáng)的容忍能力，還可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。

自Barabási和Albert于1999年首次提出無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的概念以來(lái)[5]，無(wú)論在實(shí)證研究上，還是在建模和理論分析方面，無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的研究都取得了令人矚目的成果。實(shí)證表明許多大型網(wǎng)絡(luò)是無(wú)標(biāo)度的，即它們的度分布服從冪律分布，與傳統(tǒng)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的泊松分布明顯不同。對(duì)于拓?fù)淇刂蒲娱L(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的研究[6-11]，Barabási通過(guò)實(shí)證研究，發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)節(jié)點(diǎn)失效下，無(wú)標(biāo)度拓?fù)湎鄬?duì)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆兄軓?qiáng)的容錯(cuò)性，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

近年來(lái)，將無(wú)標(biāo)度特性引入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)，無(wú)標(biāo)度拓?fù)鋵?duì)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效的強(qiáng)容錯(cuò)性在一定程度上能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期。

2 傳感網(wǎng)中無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ头诸?lèi)

2.1 BA模型

文獻(xiàn)[5]中首次提出了某些大型網(wǎng)絡(luò)能夠自組織成無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)增添節(jié)點(diǎn)在不斷增長(zhǎng)和新節(jié)點(diǎn)總是擇優(yōu)連接到度高的節(jié)點(diǎn)上。BA模型第一次把冪律度分布引入到網(wǎng)絡(luò)，它描述的是一個(gè)生長(zhǎng)的開(kāi)放系統(tǒng)。其拓?fù)渖蛇^(guò)程如下。

⑴ 增長(zhǎng)：初始網(wǎng)絡(luò)由m0個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，在此后的每一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，新增節(jié)點(diǎn)與原有節(jié)點(diǎn)發(fā)生m條邊連接，且m

⑵ 擇優(yōu)連接：新節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)i相連的概率π（ki）取決于節(jié)點(diǎn)i的度ki。

其中，為已存在節(jié)點(diǎn)的度總和。

2.2 B模型

文獻(xiàn)[12]是在BA模型的基礎(chǔ)上考慮了拓?fù)洚a(chǎn)生過(guò)程中鏈路增減的變化狀態(tài)?；贐A模型的增長(zhǎng)和擇優(yōu)連接機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化拓?fù)渖梢?guī)則來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能。新節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)i相連的概率π（ki）取決于節(jié)點(diǎn)i的度ki。演化過(guò)程如下。

⑴ 增長(zhǎng)：同BA模型。

⑵ 擇優(yōu)連接：同BA模型，新節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)i相連的概率π（ki）同⑴。

⑶ 鏈路刪除：刪除以節(jié)點(diǎn)i為端點(diǎn)的一條邊的概率π*（ki）為：

其中，為概率歸一化系數(shù);N（t）為t時(shí)間步后形成網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。

2.3 EAEM模型

文獻(xiàn)[13]是在BA無(wú)標(biāo)度模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化拓?fù)渖梢?guī)則來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能。其增長(zhǎng)機(jī)制與BA模型相同，但擇優(yōu)連接機(jī)制為：當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，與節(jié)點(diǎn)i相連接的概率取決于節(jié)點(diǎn)i的剩余能量E及節(jié)點(diǎn)的度。

其中，f（E）為增函數(shù);local area為節(jié)點(diǎn)i鄰節(jié)點(diǎn)區(qū)域。

2.4 FTEL模型

文獻(xiàn)[14]中劉浩然等人將節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)的負(fù)載相結(jié)合，作為節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)擇優(yōu)連接概率進(jìn)行改進(jìn)。

其中，ηi為適應(yīng)度函數(shù)，，Ei為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，為節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)負(fù)載。local area為節(jié)點(diǎn)i鄰節(jié)點(diǎn)區(qū)域。

2.5 SIOT模型

文獻(xiàn)[15]中借助節(jié)點(diǎn)批量到達(dá)的Poisson網(wǎng)絡(luò)模型，在局域世界內(nèi)構(gòu)建新的無(wú)標(biāo)度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。演化模型采用經(jīng)典BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)和擇優(yōu)連接，在擇優(yōu)增長(zhǎng)時(shí)，新節(jié)點(diǎn)n僅在其傳輸范圍內(nèi)選擇連接節(jié)點(diǎn)i，且此時(shí)的擇優(yōu)連接概率取決于節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量Ei和節(jié)點(diǎn)度ki。

其中An為新節(jié)點(diǎn)n的鄰節(jié)點(diǎn)集，β1為剩余能量調(diào)節(jié)因子，β2為節(jié)點(diǎn)度調(diào)節(jié)因子，且β1>0，β2>0。

服從冪律分布的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，可以用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵來(lái)度量拓?fù)涞娜萸中裕W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵。

2.6 BDDB模型

文獻(xiàn)[16]中劉浩然等人基于無(wú)標(biāo)度拓?fù)涞男纬蓷l件，設(shè)置優(yōu)先連接概率時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)度、剩余能量和節(jié)點(diǎn)間距離，并在拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程中引入鏈路刪除機(jī)制。擇優(yōu)連接概率如下。

其中，F(xiàn)為適應(yīng)度函數(shù)，，di表示節(jié)點(diǎn)間的距離;Ei為節(jié)點(diǎn)剩余能量，Ei=E0-μki，E0表示節(jié)點(diǎn)初始能量，μ為節(jié)點(diǎn)剩余能量與節(jié)點(diǎn)度的調(diào)節(jié)因子。

鏈路刪除機(jī)制：

其中，N（t）是t個(gè)時(shí)間步后形成網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。

2.7 EETM模型

文獻(xiàn)[17]中劉洲洲等人根據(jù)無(wú)標(biāo)度理論，依據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量和通信半徑的關(guān)系，提出一種能量有效的無(wú)標(biāo)度拓?fù)溲莼Ｐ?，使?jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身的能量狀況選擇合適的通信半徑，并使剩余能量大的節(jié)點(diǎn)擁有較大的連接概率。擇優(yōu)連接概率如下：

其中：j∈An為新加入的節(jié)點(diǎn)h的鄰節(jié)點(diǎn)集;di=f（Ri）為關(guān)于節(jié)點(diǎn)通信半徑Ri的連續(xù)函數(shù)，由節(jié)點(diǎn)的剩余能量和網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量決定;β1、β2為調(diào)節(jié)參數(shù)，可以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)度和節(jié)點(diǎn)通信半徑在擇優(yōu)連接時(shí)的權(quán)重。

2.8 APSL算法

文獻(xiàn)[18]中按照WSNs拓?fù)涫菑囊粋€(gè)小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)逐層向外增長(zhǎng)，在單位時(shí)間間隔內(nèi)可能同時(shí)有多個(gè)新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，按照Possion分布批量添加新節(jié)點(diǎn)生成網(wǎng)絡(luò)。擇優(yōu)連接概率與節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量狀況RSSI（吸引度）有關(guān)。

其中，0<ε<1，i=1，2，…，m0+t-1，ki為節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度，βi為節(jié)點(diǎn)i的吸引度。

3 現(xiàn)有方法比較與分析

表1所示為傳感網(wǎng)中無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ椭懈鱾€(gè)屬性的比較。由表1可知：

⑴ 經(jīng)典無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)BA模型第一次把冪律度分布引入到網(wǎng)絡(luò)，它描述的是一個(gè)生長(zhǎng)的開(kāi)放系統(tǒng)。BA模型的重要意義在于它把實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的無(wú)標(biāo)度特性，歸結(jié)為增長(zhǎng)和擇優(yōu)連接這兩個(gè)非常簡(jiǎn)單明了的機(jī)制。

⑵ 現(xiàn)有無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型都是在BA模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，節(jié)點(diǎn)負(fù)載，節(jié)點(diǎn)間距離等因素，設(shè)計(jì)出符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的拓?fù)淠Ｐ?，能夠在一定程度上延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期，但都有一定的局限性。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對(duì)象的信息。

本文從無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ偷谋匾猿霭l(fā)，對(duì)經(jīng)典的無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行了分析探討。在無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)的節(jié)點(diǎn)只有一兩個(gè)連接，而少數(shù)集散節(jié)點(diǎn)卻有很大的度?；谶@些無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ停瑯?gòu)建出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和高健壯性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新的研究方向。

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