基于粒子群算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略?

趙素萍，杜永文

(1.晉中信息學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，山西 晉中 030800；2.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由能量有限的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這種節(jié)點(diǎn)自身帶有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及傳輸?shù)裙δ?，?jié)點(diǎn)利用多跳模式將所有數(shù)據(jù)傳送到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)融合到網(wǎng)絡(luò)基站，最終把用戶所需數(shù)據(jù)傳輸給用戶，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中添加中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)加強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度[1]，同時(shí)最大程度擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，降低網(wǎng)絡(luò)中斷概率，所以無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)重要性很高，選取合適的中繼節(jié)點(diǎn)直接影響無線網(wǎng)絡(luò)的性能，為此展開中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略的研究[2－3]。

閆青麗等[4]首先計(jì)算出帶有節(jié)點(diǎn)噪聲的信息矩陣和互信息，其次計(jì)算網(wǎng)絡(luò)所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，最終通過分解目標(biāo)的方法得出節(jié)點(diǎn)最優(yōu)解，并在偏好排序技術(shù)的幫助下選取最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇。賀文晨等[5]首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練得出惡意節(jié)點(diǎn)，其次建立節(jié)點(diǎn)選擇系統(tǒng)模型并充分考慮無線傳感網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)延，最后將節(jié)點(diǎn)選擇問題在馬爾可夫決策的幫助下得出節(jié)點(diǎn)分布式近端選擇策略，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇。Al-Kahtani[6]研究了協(xié)作式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中繼分配問題，分析了中繼分配算法，以顯示在適當(dāng)?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)選擇方案方面，信道容量、功率分配、覆蓋范圍擴(kuò)展和干擾抑制的有效性。以上三種方法在選擇中繼節(jié)點(diǎn)策略過程中沒有構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，無法直觀了解中繼節(jié)點(diǎn)位置和其主要作用，導(dǎo)致不能選出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，存在數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)長(zhǎng)、均方根誤差大以及吞吐量小的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于粒子群算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略方法。構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，通過計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)能量，確定中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗，通過粒子群算法不斷更新中繼節(jié)點(diǎn)的選擇結(jié)果，得到全局最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，提升了無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的構(gòu)建

和普通節(jié)點(diǎn)選擇不同，中繼節(jié)點(diǎn)通常沒有固定的能量，導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)不能利用普通節(jié)點(diǎn)選擇策略，為更加直觀以及高效地選取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，提前構(gòu)建出無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，如圖1 所示，此模型是由1 個(gè)源節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)傳輸信息的中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)模型

通過分析實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況發(fā)現(xiàn)，兩節(jié)點(diǎn)距離過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致路徑損耗過大或出現(xiàn)不能及時(shí)傳輸?shù)那闆r，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間不能直接傳輸數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)均配備單發(fā)天線，進(jìn)而使用半雙工形式完成網(wǎng)絡(luò)的通信工作[7]。

通常情況下，源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的能量供應(yīng)不變，但中繼節(jié)點(diǎn)沒有固定的能量供應(yīng)，而中繼節(jié)點(diǎn)可收集所需能量，且中繼節(jié)點(diǎn)的能量收集均依賴于源節(jié)點(diǎn)的RF 信號(hào)，所以在傳輸信號(hào)前中繼節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到下一次傳輸?shù)男盘?hào)傳輸形式，且中繼節(jié)點(diǎn)可從多個(gè)方面收集所需能量[8]。

根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸模型，如圖2 所示，假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)包信號(hào)傳輸所需的時(shí)間為t，即源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳輸總時(shí)長(zhǎng)，中繼節(jié)點(diǎn)剛好可將傳輸時(shí)間分割成2 個(gè)時(shí)間間隙相同的時(shí)間t/2，此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)自身能量決策出此時(shí)的信號(hào)傳輸處理形式，當(dāng)處于能量收集模式時(shí)即可將收獲到的信息轉(zhuǎn)換成能量保存到儲(chǔ)存空間中。當(dāng)處于下一間隙時(shí)，且中繼節(jié)點(diǎn)處于能量存儲(chǔ)形式，所以中繼節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)保持靜默狀態(tài)，當(dāng)其轉(zhuǎn)換成信號(hào)接收模式時(shí)，即可將前一個(gè)時(shí)隙t/2 的信息傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中。

圖2 中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸形式

假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)為S，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為D，利用Nakagami-m 的衰落分布體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)信道之間的增益變化，令無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型中全部信道在各個(gè)傳輸時(shí)間內(nèi)的信道增益是固定不變的，且不同時(shí)間內(nèi)均不互相依賴，則第一個(gè)時(shí)間間隙的中繼節(jié)點(diǎn)所接收到的信號(hào)表達(dá)式為:

式中:Qr，u代表中繼節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)，ku代表源節(jié)點(diǎn)和第u個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道增益，m代表高斯白噪聲。

當(dāng)?shù)趗個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ru的模式為能量捕獲模式時(shí)，此時(shí)傳輸時(shí)間的第一個(gè)間隙可采集的能量計(jì)算公式如下所示:

式中:Wu代表所收集的能量，α代表能量轉(zhuǎn)換的效率。

假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中可選取的中繼節(jié)點(diǎn)集合為δ，在傳輸時(shí)間的第二個(gè)間隙中，中繼節(jié)點(diǎn)集合中所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)幫助源節(jié)點(diǎn)S傳送信號(hào)，針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)Ru，其傳送信號(hào)的表達(dá)式為:

式中:εu代表中繼節(jié)點(diǎn)Ru在中繼節(jié)點(diǎn)集合中的權(quán)值，pu代表中繼節(jié)點(diǎn)Ru所發(fā)射信號(hào)的功率[9]。

其中權(quán)值εu的計(jì)算公式為:

式中:gu代表中繼節(jié)點(diǎn)Ru的權(quán)重。

從而得出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可接收到的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)表達(dá)式為:

則目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)信噪比計(jì)算公式為:

通過以上公式分別計(jì)算出中繼節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)模式，以此得出中繼節(jié)點(diǎn)的實(shí)際作用，進(jìn)而開始選擇中繼節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

2 基于粒子群算法的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略

根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的能量情況以及上述反饋出的信噪比對(duì)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)開展信號(hào)信噪比的加強(qiáng)處理，同時(shí)根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的能量和中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比情況對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)信噪比實(shí)施加權(quán)處理[10]。加權(quán)的核心就是依照節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況以及能量剩余量的比值對(duì)信道的信噪比實(shí)施加權(quán)處理，當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸所需要消耗的能量與能量余值比值較小，此節(jié)點(diǎn)經(jīng)過加權(quán)處理后的信噪比會(huì)相應(yīng)的變大，從而呈現(xiàn)出能量針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)選擇的重要性，進(jìn)而舍棄中繼節(jié)點(diǎn)的選擇僅僅能依靠信道條件的情況，擴(kuò)大中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略范圍，也進(jìn)一步提高中繼節(jié)點(diǎn)被選用在數(shù)據(jù)傳輸中的可能性，降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，最大程度增加無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命，根據(jù)以上分析得出中繼節(jié)點(diǎn)的選擇公式為:

式中:Ri?代表無線傳感網(wǎng)絡(luò)中可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡趇?個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，α代表源節(jié)點(diǎn)的能耗權(quán)重因子，β代表中繼節(jié)點(diǎn)的能耗權(quán)重因子。

為了選取出性能更高的中繼節(jié)點(diǎn)，針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)集在粒子群算法的幫助下選取出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。

粒子群算法的核心就是對(duì)比各個(gè)粒子節(jié)點(diǎn)適應(yīng)度值與目前種群的平均適應(yīng)度，通過比較得出大于平均適應(yīng)度的粒子并加以保存[11－12]。

在粒子群算法中適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)的選取十分重要，首先隨機(jī)選取關(guān)于中繼節(jié)點(diǎn)的屬性集，該屬性集需要符合屬性與類屬性有較大關(guān)聯(lián)，但與內(nèi)部屬性無關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排除無關(guān)屬性以及冗余屬性的目的，假設(shè)隨機(jī)選取的屬性分別是A和B，則兩屬性之間的相關(guān)性能力經(jīng)過歸一化處理后得到的表達(dá)式為:

式中:I(A，B)代表屬性A和屬性B之間的互信息，G(A)代表屬性A的熵函數(shù)，G(B)代表屬性B的熵函數(shù)。

其中互信息I(A，B)的計(jì)算公式為:

式中:G(A，B)代表屬性A和屬性B的聯(lián)合熵。

由于熵函數(shù)是根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性值的概率計(jì)算得出的，因此得出屬性A的計(jì)算公式為:

式中:p(xi)代表屬性值的概率。

因?yàn)槁?lián)合熵G(A，B)實(shí)質(zhì)上是根據(jù)屬性A和屬性B全部組合值的聯(lián)合概率所得出的結(jié)果，因此G(A，B)的計(jì)算公式為:

所以根據(jù)歸一化互信息的結(jié)果可直接評(píng)判出節(jié)點(diǎn)屬性集的優(yōu)良結(jié)果，即粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù)，其表達(dá)式為:

式中:d代表節(jié)點(diǎn)的類屬性，i和j均代表節(jié)點(diǎn)屬性子集中的全部屬性。

根據(jù)式(7)即可得出各個(gè)粒子的適應(yīng)度，其評(píng)判結(jié)果越高，則適應(yīng)度越大。

基于粒子群算法的中繼節(jié)點(diǎn)選擇最關(guān)鍵的一步就是粒子的更新，在中繼節(jié)點(diǎn)選擇的幫助下對(duì)粒子列表更新，保證每個(gè)粒子都能有效學(xué)習(xí)，盡可能避免出現(xiàn)提前收斂得出局部最優(yōu)值的情況，其中粒子的更新計(jì)算公式為:

式中:代表t時(shí)粒子i的實(shí)際位置，α代表粒子算法的收斂收縮和擴(kuò)張系數(shù)，p代表中繼節(jié)點(diǎn)全局最優(yōu)值與局部最優(yōu)值之間的任意值，Mbest 代表粒子群的中心。

為了確保全部粒子均靠近最優(yōu)粒子，得出任意值p的計(jì)算公式為:

式中:d1和d2均代表常數(shù)，其范圍為[0，1]。

則粒子群中心位置Mbest 的表達(dá)式為:

式中:n代表種群粒子的總數(shù)量，c代表粒子的維度值。

根據(jù)上述計(jì)算即可總結(jié)出經(jīng)過計(jì)算粒子的適應(yīng)度值并與最好節(jié)點(diǎn)比較，即可得出最優(yōu)節(jié)點(diǎn)位置，其次通過式(13)、式(14)和式(15)更新出粒子位置，將該位置的粒子轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)即選取出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。

3 仿真分析

將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能家電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控中，以實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備遠(yuǎn)程操控。為提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，驗(yàn)證基于粒子群算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略方法的整體有效性，對(duì)所提方法、文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法及文獻(xiàn)[6]方法開展數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、均方根誤差以及吞吐量的測(cè)試。引入MATLAB 仿真平臺(tái)，設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5 個(gè)，中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4 個(gè)，測(cè)試結(jié)果如下所示。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)

中繼節(jié)點(diǎn)的主要作用就是提高傳輸效率，加強(qiáng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能，正常情況下數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)包的大小以及密度有直接關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)包數(shù)量和密度越高，則網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)會(huì)有所增加，否則反之，但中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)在一定程度上改善網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的弊端，為比較三種中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法的優(yōu)劣，在同一環(huán)境下，隨機(jī)選取大小和密度完全不同的樣本數(shù)據(jù)，編號(hào)為1－15，每組數(shù)據(jù)量為100 Mb，利用四種方法選擇無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算出每種方法下改善后的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 四種方法的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí) 單位:ms

根據(jù)仿真結(jié)果可知，經(jīng)過四種方法處理后的數(shù)據(jù)延時(shí)情況均有所改變，其中變化最不明顯的就是文獻(xiàn)[5]方法，其次是文獻(xiàn)[4]方法及文獻(xiàn)[6]方法，數(shù)據(jù)延遲改善最具成效的是所提方法，平均延時(shí)為1.81 ms，這是因?yàn)樗岱椒ㄔ谶x擇中繼節(jié)點(diǎn)策略過程中構(gòu)建出無線傳感器中繼節(jié)點(diǎn)傳輸模型，以此清楚明了地得知中繼節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況和作用，以便更好地完成中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，加強(qiáng)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略的有效性。

3.2 均方根誤差

由于中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，很容易提前收斂得到局部最優(yōu)值作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，造成傳輸結(jié)果不理想或中繼節(jié)點(diǎn)選取出現(xiàn)誤差的情況，為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，分別在不同樣本數(shù)據(jù)下對(duì)比四種方法選擇中繼節(jié)點(diǎn)的均方根誤差，提取出均方根誤差值最小的方法即為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法。四種方法的均方根誤差如圖3 所示。

圖3 四種方法的均方根誤差

對(duì)比仿真結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，在每組樣本中所提方法的均方根誤差均最小，平均值為1.29，且該結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)對(duì)比方法，這說明所提方法選擇中繼節(jié)點(diǎn)的能力高，保證中繼節(jié)點(diǎn)的性能同時(shí)以最高準(zhǔn)確率選取中繼節(jié)點(diǎn)。

3.3 吞吐量

驗(yàn)證無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣最有力的指標(biāo)就是網(wǎng)絡(luò)吞吐量，吞吐量指的是在沒有幀丟失的前提下，網(wǎng)絡(luò)可接受的最大速率，中繼節(jié)點(diǎn)的最大作用就是接收數(shù)據(jù)，因此驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的吞吐量可直接反映出四種方法中繼節(jié)點(diǎn)選擇的好壞。

在同一環(huán)境下，利用四種方法在不同工作量選擇適合的中繼節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算出每種方法在每組數(shù)據(jù)中的吞吐量，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 四種方法的吞吐量

根據(jù)仿真結(jié)果可知，雖然所提方法所面對(duì)的工作量不同，但該方法還是可保證網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，最大值為260 op/s，且所提方法的吞吐量在每組樣本中都是最高的，由此驗(yàn)證所提方法的中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案最好。本文方法同時(shí)收集所有中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成中繼節(jié)點(diǎn)集，保證中繼節(jié)點(diǎn)的選擇策略具有多樣性，一定程度上增加了計(jì)算難度，但能夠有效提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

4 結(jié)束語

為提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)整體能力，提出基于粒子群算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略方法，該方法首先構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型得出中繼點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，其次通過粒子群算法不斷更新出中繼節(jié)點(diǎn)，得到全局最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇，解決了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)長(zhǎng)、均方根誤差大以及吞吐量小的問題，有效提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)速度。