基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化

袁可

摘要：針對傳統(tǒng)分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法存在生命周期短、運行質(zhì)量差的問題，開展基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計研究。通過模型設(shè)計、拓?fù)溲莼途植恳晥D維護(hù)機(jī)制，提出一種全新的拓?fù)鋬?yōu)化方法。通過實驗證明，新的優(yōu)化方法能夠有效延長分層無線傳感器的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鄰域信息;分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);優(yōu)化方法

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0079-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

無線傳感器是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷發(fā)展中衍生的產(chǎn)物，此方面的研究最早起源于1990年，在當(dāng)時，無線傳感器作為一個全新的研究領(lǐng)域，一經(jīng)誕生，便引起了世界各國對其的關(guān)注。在有關(guān)技術(shù)科研單位對無線傳感器的深入研究中發(fā)現(xiàn)，提高其網(wǎng)絡(luò)生命力是設(shè)計與開發(fā)無線傳感器的核心工作，而對其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，則是實現(xiàn)對其生命周期提升的必然條件[1]。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)定，從多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，選擇物理鄰近節(jié)點，并根據(jù)節(jié)點的邏輯關(guān)系，對傳感器進(jìn)行合理化通信支撐。通過此種方式，可以確保無線傳感器在全局網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的條件下，節(jié)點信息通信與交互的能耗較低，從而使網(wǎng)絡(luò)傳輸效率提升[2]。但目前，我國仍缺少針對此方面的輸出成果，因此，本文將基于鄰域信息，提出一種針對分層無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法，以期通過此種方式，使傳感器中的網(wǎng)絡(luò)連通性與通信能力更為顯著。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述及特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)屬于一種分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其末梢神經(jīng)是可以與外界環(huán)境實現(xiàn)連通的傳感裝置。在WSN中，傳感器通過無線的方式實現(xiàn)通信，正由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置相對靈活、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸位置可被調(diào)整，因此此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也屬于一種多梯度、自組織的網(wǎng)絡(luò)類型。

相比常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)連接方式自由、結(jié)構(gòu)不確定性高、控制方式集成性低、安全性與穩(wěn)定性差等特點。

2 基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 模型設(shè)計

為了滿足本文設(shè)計需求，需要全面考慮到分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的非均勻覆蓋率，常規(guī)情況下，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布是隨機(jī)的[3]。但要實現(xiàn)對其的優(yōu)化，還需要對其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布密度與覆蓋目標(biāo)進(jìn)行均勻分配，因此本章采用構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型的方式，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

在此過程中，定義分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可控區(qū)域為M（二維平面），在此區(qū)域內(nèi)同時隨機(jī)布設(shè)n個同質(zhì)信息傳感節(jié)點，每個節(jié)點均需要被分配到代表其身份的ID編號，除ID差異，每個傳感節(jié)點無其他差異。

參照規(guī)則傳輸模型，對分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計，其中每個節(jié)點的最大傳輸半徑表示為R，且任何一個節(jié)點中的路徑長度，均可以在[0，R]之間選擇[4]。模型結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

結(jié)合圖1中內(nèi)容，提取分層無線傳感器的鄰域信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖2。

根據(jù)鄰域信息的可達(dá)矩陣，對其進(jìn)行描述。如公式（1）。

[A7=S3S5S8S3? S5? S81? ? 1? ? 00? ?0? ? 1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

公式（1）中：[A7]表示為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中7對應(yīng)的鄰域信息;[S3]、[S5]、[S8]分別表示為分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息節(jié)點3、5、8。參照上述內(nèi)容，完成對基于鄰域信息的網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。

2.2 拓?fù)溲莼?/p>

在完成對模型的生成后，需要對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)演化，常規(guī)情況下，結(jié)合拉普拉斯矩陣對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，以模擬退火算法的方式，定位最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此過程中，觀察拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢，并以此定位拓?fù)渫庥^的變化規(guī)律[5]。

拓?fù)溲莼倪^程采用隨機(jī)重連邊法，定義每次重連邊的數(shù)量級表示為[n]，按照[1，[n]]的方式，以每次-1次冪概率分布產(chǎn)生重連邊的具體邊數(shù)。同時，在重連邊的過程中，需要確保在兩個節(jié)點或多個節(jié)點之間最多僅有一條連邊，以此確保整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通。

2.3 局部視圖維護(hù)機(jī)制

在完成拓?fù)溲莼?，為確保分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠得到進(jìn)一步的優(yōu)化，并確保修復(fù)節(jié)點移除以后，對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生影響，還需要構(gòu)建局部視圖維護(hù)機(jī)制。在局部視圖維護(hù)機(jī)制當(dāng)中明確最優(yōu)距離，當(dāng)最優(yōu)距離超過其本身的1.78倍時，則認(rèn)為此時無線傳感器的節(jié)點距離既能夠確保整個網(wǎng)絡(luò)的連通性，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的全覆蓋。同時，在機(jī)制當(dāng)中明確規(guī)定，需要進(jìn)行修復(fù)的節(jié)點相鄰區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點都應(yīng)當(dāng)在其合理的作用下進(jìn)行合理的位置調(diào)整，以此確保完成修補后節(jié)點移走時仍然不會存在未被覆蓋的區(qū)域，以此進(jìn)一步提高分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。

3 測試實驗

3.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期評價

為了方便對本文基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的實際應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，在進(jìn)行性能測試前，還需要對網(wǎng)絡(luò)生命周期評價方式進(jìn)行設(shè)計。將網(wǎng)絡(luò)運行看作一個數(shù)學(xué)模型，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行條件，對其生命周期進(jìn)行設(shè)定，并得出如下公式：

[expTihit=Pt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，[Pt]表示為網(wǎng)絡(luò)生命周期定量評價結(jié)果;[t]表示為網(wǎng)絡(luò)運行時間間隔指標(biāo)權(quán)重;[hit]表示為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中第i-1次和第i次運行狀態(tài)下的失敗率。通過計算得出的[Pt]值越高則表示網(wǎng)絡(luò)生命周期越長，運行質(zhì)量越高，反之同理。通過上述公式，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)生命周期的定量評價。

3.2 性能測試

為進(jìn)一步實現(xiàn)對本文提出的基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法的實際應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，本文將上述網(wǎng)絡(luò)生命周期作為對比實驗的評價指標(biāo)，分別利用本文提出的優(yōu)化方法和傳統(tǒng)優(yōu)化方法，針對某一分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在MATLAB平臺上，分別在典型場景和隨機(jī)場景當(dāng)中，完成對比實驗驗證。為確保實驗結(jié)果的客觀性，兩種優(yōu)化方法下分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的每個節(jié)點的最大通信半徑和其初始能量值均相同，其中最大通信半徑為11.5m，初始能量值為1J。分別采集8個不同的節(jié)點，根據(jù)不同節(jié)點的特征，完成對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)化，并按照上述網(wǎng)絡(luò)生命周期的評價方式，完成對兩種優(yōu)化方法處理后，網(wǎng)絡(luò)的生命周期進(jìn)行記錄。

3.3 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)上述性能測試準(zhǔn)備內(nèi)容，完成測試，得到如表1所示的實驗結(jié)果。

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)生命周期評價對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過測試得出，本文拓?fù)鋬?yōu)化方法下五個不同網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的P值均在9.00以上，而傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法下的P值均未超過9.00。通過實驗得出結(jié)論：本文設(shè)計的基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法在實際應(yīng)用中能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，保證網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文通過開展基于鄰域信息的分層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化研究，提出一種全新的拓?fù)鋬?yōu)化方法，并通過性能測試的方式進(jìn)一步驗證了該方法的實際應(yīng)用效果。后續(xù)還將針對該方法的實用性進(jìn)行進(jìn)一步探索，以此提高該拓?fù)鋬?yōu)化方法的應(yīng)用綜合性。

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【通聯(lián)編輯：張薇】