云環(huán)境下無線通信數(shù)據傳輸能耗優(yōu)化方法研究

王建璽，岳 圓

（1.平頂山學院 計算機學院，河南 平頂山 467000；2.中國人民解放軍61267部隊，北京 101114）

0 引 言

隨著無線通信技術的發(fā)展，人們對其傳輸質量的要求也越來越高，出現(xiàn)了無線通信數(shù)據傳輸能量消耗大的問題，相對較低的初始能量，傳感器部署區(qū)較大，數(shù)據傳輸量大導致能耗增多，數(shù)據傳輸不穩(wěn)定。無線通信數(shù)據傳輸能源消耗大的問題極大地限制了無線通信技術的發(fā)展，因此研究了云環(huán)境下無線通信數(shù)據傳輸能耗優(yōu)化方法，以減少無線通信數(shù)據的能源消耗[1]。

1 云環(huán)境下無線通信數(shù)據傳輸能耗優(yōu)化方法設計

1.1 簇頭節(jié)點選擇

由于簇頭節(jié)點的轉發(fā)任務重，需要長距離通信，能源消耗較大。為了將無線傳輸節(jié)點的任務均勻地分配到網絡節(jié)點中，對簇頭節(jié)點進行選擇[2]。

選擇簇頭過程，使用HFUI協(xié)議進行周期性循環(huán)，將節(jié)點劃分成簇，每個周期由數(shù)據傳輸階段組成，任務是選取簇頭節(jié)點。對網絡進行初始化，在每個節(jié)點中產生隨機數(shù)，判斷是否成為簇頭節(jié)點，并設定閾值，計算公式為：

其中，Sf代表計算完成的閾值，ei代表網絡節(jié)點，代表簇頭判斷因子，d代表節(jié)點間通信距離，f代表節(jié)點間傳輸?shù)臄?shù)據量，x代表節(jié)點剩余能量，r代表發(fā)送數(shù)據時的消耗能量，此次計算不做定向分析，簇頭選擇根據節(jié)點是否大于該閾值決定。

若該數(shù)大于設定閾值，選該節(jié)點為簇頭，并向全網發(fā)送一個包含本節(jié)點地址的聲明信號，反之選為普通節(jié)點。成員節(jié)點向簇頭發(fā)送包含本地節(jié)點的加入信號時，標明自己為該簇內節(jié)點，簇頭根據自己信號數(shù)量，為本簇內成員分配相應時隙，將信息進行廣播，簇內成員接收并檢查簇頭節(jié)點發(fā)送的時隙信息，確定發(fā)送時隙。第一次迭代結束后，所有節(jié)點進行下一次迭代，當最終簇頭加入迭代終止，如果迭代結束后存在節(jié)點既不是最終簇頭也沒加入其他簇，則該節(jié)點成為最終簇，以完成簇頭選擇。

1.2 制定通信協(xié)議

簇頭選擇完成后，制定通信協(xié)議[3]。無線通信數(shù)據傳輸時，每個節(jié)點在自己的時隙內將數(shù)據發(fā)送給相應的簇頭節(jié)點，在其余時隙發(fā)送時進行休眠模式，等待下一個組網周期進行發(fā)送[4]。并不是所有正確接收到信號的簇成員都進行傳輸，而是根據本次傳輸?shù)男枰獊磉M行協(xié)作節(jié)點數(shù)據的調節(jié)，目標節(jié)點會合并所有接收到的數(shù)據進行解碼。

數(shù)據傳輸包括簇內傳輸和簇與簇之間的傳輸。傳輸時，將簇內傳輸階段所接收到的所有數(shù)據進行融合，統(tǒng)一發(fā)送給傳輸節(jié)點，經過一段組網發(fā)送完成后，網絡自動重新回到組網階段，進行下一次節(jié)點的發(fā)送。采用功率控制機制，根據源節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離對功率進行調節(jié)，進一步節(jié)省能量?？紤]到簇首之間的能耗均衡問題，通過減小基站附近簇的規(guī)模來降低該區(qū)域用于簇內消耗的能量，預留更多的能量進行簇首之間的數(shù)據轉發(fā)，使各個節(jié)點之間的競爭半徑與其到基站的距離成正比，使基站附近的簇首節(jié)點承擔更多的轉發(fā)任務。根據基站遠近劃分為大小不等的若干層，每層的大小由總層數(shù)和區(qū)域邊緣距離基站的距離決定，提出JIEF通信協(xié)議，對通信能耗進行均衡。設定閾值，計算公式為：

其中，F(xiàn)dg代表通信能耗均衡參數(shù)，i代表發(fā)送距離，sq代表設定的閾值，d代表節(jié)點間通信距離，此次計算不做定向分析。

當節(jié)點間的通信距離小于閾值時，采用自由空間模型，反之采用衰落模型，此時源節(jié)點發(fā)送數(shù)據到目標節(jié)點所需要的能耗表示為：

其中，Edgh代表接受數(shù)據需要消耗的能量，d代表功率放大器消耗的能量比例系數(shù)，K代表接受數(shù)據量，此次計算不做定向分析。

基于此，計算數(shù)據發(fā)送之間所消耗的能量，計算公式為：

其中，βcd代表源節(jié)點發(fā)送到目標之間的距離參數(shù)，w代表簇頭數(shù)目，z代表節(jié)點轉化為簇頭的次數(shù)，此次計算不做定向分析。

通過制定通信協(xié)議將各個獨立節(jié)點組織成一個高效節(jié)能的多跳數(shù)據傳輸網絡，通過計算能夠在源節(jié)點和目的節(jié)點間尋找合適的路徑并進行數(shù)據轉發(fā)，節(jié)省單節(jié)點能耗，并能夠考慮網絡整日的能耗及其均衡性，以完成云環(huán)境下無線通信數(shù)據傳輸能耗優(yōu)化。

2 仿真與分析

章節(jié)1的設計只是從理論上證明了此次設計的有效性，為了測試本文設計方法在無線通信數(shù)據傳輸中的能耗情況，進行了仿真實驗。實驗的操作系統(tǒng)為Windows7，采用云計算平臺進行無線通信環(huán)境模擬，使用隨機信號發(fā)生器隨機生成傳輸任務，忽略無線信道中的碰撞和干擾，實驗參數(shù)設置如表1所示。

為保證此次實驗的嚴謹性，使用傳統(tǒng)的無線通信數(shù)據傳輸方法和本文設計的傳輸方法進行對比，對比結果如圖1所示。

由圖1可知，相同配置環(huán)境下，傳統(tǒng)方法在進行無線數(shù)據傳輸時能耗較大，而本文方法在進行無線數(shù)據傳輸時能耗較小，說明該方法能夠合理將網絡中的節(jié)點進行處理，并通過制定的通信協(xié)議大大減少無線數(shù)據傳輸能耗。

表1 實驗參數(shù)設置

圖1 總能耗對比

3 結 論

無線通信技術是目前科技領域備受關注的技術之一。但目前的無線通信數(shù)據傳輸中，存在著節(jié)點傳輸數(shù)據能耗大的問題，因此設計了優(yōu)化方法。經與傳統(tǒng)方法的對比分析，本文設計的方法能夠大大降低數(shù)據通信所需的能耗，具有更好的能量效率，達到了最小化能耗的目的。