基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制研究?

楊 光，顧 紅

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學院網(wǎng)絡與通信學院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210094)

微機械[1]加工技術(shù)的發(fā)展下，微機械傳感器逐漸被普遍應用。與普通的傳感器[2]相比，微機械傳感器更具有速度快、可靠性強、精度高的優(yōu)勢。將構(gòu)建的微機械傳感器與集成電路相互融合，就會形成一個一體化的微機械電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)在整個電子機械中發(fā)揮著重要作用。微機械傳感器的優(yōu)勢較大，但也有一個不可忽視的缺陷，那就是當微機械傳感器節(jié)點較多時，容易消耗過多的能量，導致微機械傳感系統(tǒng)發(fā)生故障，所以為了能夠解決這種問題的發(fā)生，需要對微機械傳感節(jié)點能耗進行控制。

當前針對微機械傳感節(jié)點能耗控制問題也出現(xiàn)了一些較好的研究成果。Ali 等[3]提出了一種自適應CCA(A-CCA)定時機制，通過減少虛假喚醒和空閑監(jiān)聽模式下的節(jié)點時間來降低節(jié)點能耗。A-CCA幫助發(fā)射機在噪聲地板以上的高流量和干擾環(huán)境中調(diào)整其無線電功率，使接收機能夠監(jiān)測發(fā)送方信號并相應地調(diào)整其喚醒周期，實現(xiàn)傳感節(jié)點的能耗控制。但是，該方法忽略了對節(jié)點能耗的循環(huán)更新，導致對節(jié)點能耗的監(jiān)測不準確。姚宏洋等[4]提出子模塊可控放電集中式直流耗能裝置及其控制方法，該方法首先利用分組階梯策略降低直流產(chǎn)生的能耗，以此減小直流電壓峰值，再利用控制策略控制子模塊中的直流放電能耗，以此控制子模塊內(nèi)的電壓能耗，從而實現(xiàn)整體控制，該方法減小的電壓峰值不夠完善，存在控制效果差的問題。倪磊等[5]提出面向低功耗無線傳感器網(wǎng)絡的智能拓撲控制算法，由于無線傳感網(wǎng)絡在運行期間容易忽視多跳中繼區(qū)域問題，這會導致網(wǎng)絡節(jié)點能耗劇增，為了避免這種問題的發(fā)生，該方法首先采集了網(wǎng)絡節(jié)點功耗數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)組建成一個最大鄰近節(jié)點拓撲，從中選取耗能最小的節(jié)點路徑，以此實現(xiàn)整體控制。但是，該方法構(gòu)建的鄰近節(jié)點拓撲存有誤差，存在能耗總和高的問題。張梅瓊等[6]提出無線傳感器網(wǎng)絡分簇中能耗均衡控制方法，該方法根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸半徑，對網(wǎng)絡節(jié)點的期望值計算，獲取了網(wǎng)絡的運行效率，再在各個簇首節(jié)點內(nèi)建立最優(yōu)簇，依據(jù)節(jié)點中的能量及其位置之間的關(guān)系，構(gòu)建出能量表示模型，可以利用該模型顯示出節(jié)點能量，最后利用簇頭處理方法處理節(jié)點簇首，以此降低節(jié)點消耗的能量，從而完成節(jié)點能耗控制。但是，該方法存在生命周期運行輪數(shù)少的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制研究方法。為進一步均衡化節(jié)點能耗，采用加權(quán)分簇法完成傳感節(jié)點分簇、分組、深度控制和優(yōu)化循環(huán)等，增強能耗的均衡性，優(yōu)化傳感節(jié)點的生命周期，微機械傳感節(jié)點能耗控制效果得以提升。

1 微機械傳感節(jié)點能耗影響因素建模

1.1 微機械傳感節(jié)點的多跳傳輸

微機械是一種微電子機械系統(tǒng)，它主要由多個無線傳感器組合而成。為了達到控制微機械傳感節(jié)點能耗的最佳效果，首先需要分析出微機械傳感節(jié)點能耗的整體影響因素。

假設微機械傳感節(jié)點的整體覆蓋區(qū)域是半徑為R的圓形，若在這個圓形區(qū)域范圍內(nèi)，有很多微機械傳感節(jié)點在該區(qū)域中拋灑，那么就可以根據(jù)拋灑的固定頻率對微機械傳感節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集。

若各個微機械傳感節(jié)點原始能量都相同，就可以有足夠的能量將這些數(shù)據(jù)輸送到基站B內(nèi)，所以傳感節(jié)點在多跳傳輸方式[7]下，微機械傳感系統(tǒng)的整體拓撲結(jié)構(gòu)就如圖1 所示。

圖1 微機械傳感系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

多跳傳輸方式與普通的傳輸方式不同，多跳傳感模式是可以利用多跳的方式將各個微機械傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)輸送到基站B 內(nèi)。

微機械傳感節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，若要在圓環(huán)i 中將所有的節(jié)點數(shù)據(jù)全部輸送到基站B，那么就需要在圓環(huán)中經(jīng)過(i－1)個不同的圓環(huán)傳感節(jié)點[8]的轉(zhuǎn)發(fā)。這樣就可以有效地的避免傳感節(jié)點輸送期間消耗過多的能量。

1.2 微機械傳感節(jié)點能耗影響因素建模研究

基于1.1 節(jié)得到的微機械傳感節(jié)點的多跳傳輸方式，對微機械傳感節(jié)點能耗的影響因素建模研。一般情況下微機械傳感節(jié)點對數(shù)據(jù)感知和計算時所消耗的能量要低于節(jié)點傳輸時的能耗，因而節(jié)點在傳輸期間需要忽略掉節(jié)點在傳輸過程中產(chǎn)生的重傳問題[9]。那么在整個微機械傳感拓撲結(jié)構(gòu)中，圓環(huán)i 內(nèi)的節(jié)點消耗的總能量用下述方程表達式描述:

式中:Ei表示節(jié)點總能耗，ETX表示微機械傳感節(jié)點通過多跳傳輸方式輸送節(jié)點時所產(chǎn)生的能耗，ERX表示微機械傳感節(jié)點以多跳傳輸方式接收節(jié)點時所產(chǎn)生的能耗，Ti表示圓環(huán)i輸送節(jié)點時所生成的負載，Ti＋1表示圓環(huán)i＋1 輸送節(jié)點時所產(chǎn)生的負載數(shù)據(jù)包。

節(jié)點在圓環(huán)輸送期間，Ti記作Ti＝Si＋ρ＋Ti＋1。其中，Si表示圓環(huán)i的整體面積，ρ表示微機械傳感節(jié)點密度[10]。若圓環(huán)i＋1 中的節(jié)點輸送到圓環(huán)i中，那么Ti＋1就會被轉(zhuǎn)換到Ti內(nèi)。

在整個微機械系統(tǒng)的最外層為圓環(huán)N，只需要輸送節(jié)點數(shù)據(jù)而不接收數(shù)據(jù)，所以此時的節(jié)點負載TN就標記為:TN＝SN＋ρ。

外層圓環(huán)在傳輸節(jié)點數(shù)據(jù)時，要被圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點接收，經(jīng)過不斷的逆向迭代，計算出各個圓環(huán)的負載[11]，用方程表達式表示為:

根據(jù)式(1)與式(2)，即可獲得微機械傳感節(jié)點的總能耗，表示如下:

基于獲取的微機械傳感節(jié)點總能耗，計算出微機械傳感節(jié)點的輸送能耗和接收能耗，定義如下:

式中:Eelec表示微機械傳感在輸送節(jié)點和接收節(jié)點所產(chǎn)生的能耗，εamp表示傳輸時的能耗。

此時計算圓環(huán)N中的節(jié)點平均能耗，主要定義如下:

從而可以得知，微機械傳感系統(tǒng)的整體拓撲會決定節(jié)點平均能耗的大小，而能耗與節(jié)點的密度無關(guān)。當節(jié)點距離微機械傳感系統(tǒng)的中心較近時，所消耗的能量就越大。

2 基于加權(quán)分簇的微機械傳感機械能耗控制

以上述微機械傳感節(jié)點能耗分析結(jié)果為基礎，采用加權(quán)分簇控制微機械傳感節(jié)點能耗。主要分成四個步驟，分別是分簇[12]、分組、深度控制和循環(huán)，以此實現(xiàn)整體控制。

微機械傳感節(jié)點全部都屬于一個簇，在整個節(jié)點中節(jié)點ID 最大的就是整個簇的簇首，由于簇中的傳感節(jié)點不能全部重疊，因此對這些簇實行分簇分組后再對其深度調(diào)節(jié)，最終對調(diào)節(jié)后的分簇優(yōu)化，完成控制。

由于選出的微機械傳感簇首節(jié)點的數(shù)量較多，而微機械傳感系統(tǒng)的最大ID 節(jié)點是隨機部署的，所以這就會導致簇首節(jié)點能量距離最大值遠，這就會導致簇首節(jié)點在處理數(shù)據(jù)時消耗的能量較大。所以為了能夠有效地對能量實行分簇，需要引入一個能耗差異性參數(shù)，標記為:W.Ecita。那么此時微機械傳感節(jié)點的能量就如下式所示:

式中:W.E(i)表示傳感節(jié)點能量，i表示節(jié)點，W.Eever(i)表示平均能量值。

根據(jù)節(jié)點能量值，將簇內(nèi)節(jié)點W.Ecita的最小節(jié)點用作簇首節(jié)點，可表示為:D.head，這樣傳感節(jié)點的可用能耗就會接近最大化，也會均衡了整體能耗，提升了節(jié)點在微機械傳感系統(tǒng)中的生存時間[13]。

為了減小節(jié)點在傳輸期間產(chǎn)生的能耗，所以設置dis(i，C)是整個傳感節(jié)點的簇首[14]，這樣就可以縮短輸送距離，降低能耗。那么計算出的微機械傳感節(jié)點與簇內(nèi)節(jié)點的平均距離為:

式中:(ai－aj)、(bi－bj)表示在相同的簇中任意兩個傳感節(jié)點的坐標。

結(jié)合上述兩點分析，定義出兩種參數(shù)。第一種為傳感節(jié)點能耗的差異，標記W.Ecita；另一種是由節(jié)點的平均距離dis、W.Ecita、節(jié)點度數(shù)d構(gòu)成的加權(quán)項Ssum。通過Ssum對節(jié)點作為簇首的可能性實行判斷，從而計算出傳感節(jié)點的加權(quán)項[15]，用方程表達式定義為:

式中:x、y、z均標記為加權(quán)系數(shù)。其中，0≤x，y，z≤1，即x＋y＋z＝1。每個傳感節(jié)點都會給出不同的權(quán)重值，這樣整個簇內(nèi)的節(jié)點加權(quán)項就是Ssum。

由于權(quán)重項在不同環(huán)境下所產(chǎn)生的作用不同，所以需要根據(jù)各個節(jié)點的大小對其權(quán)重值實行設定，這樣就能夠獲取在不同場合下的傳感節(jié)點加權(quán)值，利用加權(quán)項選擇簇首節(jié)點令其適用于任意微機械傳感中。當y＝z＝0，x＝1 時，表明微機械傳感節(jié)點在影響因素下存在剩余節(jié)點，通過節(jié)點加權(quán)項獲取最小節(jié)點；當x＝z＝0，y＝1 時，表明微機械傳感節(jié)點在影響因素下不存在剩余節(jié)點，計算節(jié)點與鄰近節(jié)點之間的距離即可獲取最小節(jié)點。

所以加權(quán)項Ssum要選取最小節(jié)點用作簇首，利用該簇首能量大、連通度強的特點，降低微機械傳感節(jié)點傳輸能耗，以此均衡網(wǎng)絡能耗，提升節(jié)點在微機械傳感中的生存時間，完成基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制。

3 仿真分析

為了驗證基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制研究方法的整體有效性，需要對該方法實行仿真分析對比測試。

采用所提的基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制方法、文獻[3] 提出的基于自適應CCA(A-CCA)定時機制的傳感節(jié)點能耗控制方法以及文獻[6]提出的無線傳感器網(wǎng)絡分簇中能耗均衡控制方法開展仿真分析測試。

①研究微機械傳感節(jié)點能耗控制方法時，其最終控制性能是驗證整體控制效果的核心，所以需要采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[6]方法分別對微機械傳感節(jié)點能耗實行控制效果測試。

本次仿真分析采用仿真軟件對三種方法測試，根據(jù)測試結(jié)果比較三種方法，所采用的仿真分析參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真分析參數(shù)

根據(jù)表1 中的參數(shù)，給出仿真場景圖，將微機械傳感系統(tǒng)在長度為50 m×50 m 的區(qū)域中部署傳感節(jié)點，設置傳感節(jié)點的數(shù)量為50 個，將其隨機放在固定的區(qū)域內(nèi)。該仿真場景圖如圖2 所示。

圖2 仿真場景示意圖

利用不同方法將圖2 中的三種類型傳感節(jié)點中簇首節(jié)點所產(chǎn)生的能耗相加，得出最終能耗總和，總能耗最低就說明該方法的控制性能最強，那么具體的測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方法的能耗總和對比

分析圖3 中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從整體測試來看，在10 000 次的仿真分析迭代過程中，文獻[6]方法的能耗總和要高于所提方法和文獻[3]方法，這主要是因為文獻[6]方法存在生命周期運行輪數(shù)少的問題，導致文獻[6]方法的最終能耗總和高，可見文獻[6]方法的控制性能更差。與文獻[3]方法相比，而所提方法在整體測試期間的上升速度較慢，同時總能耗最低。因而驗證了所提方法的控制性能最強，控制效果最好。

綜上所述，所提方法的總能耗最小，這主要是因為所提方法分析了微機械傳感節(jié)點能耗影響因素，以此獲取了導致傳感節(jié)點能耗高的原因，大大提升了所提方法的控制效果，進而降低了所提方法的能量消耗總和。

②傳感節(jié)點能耗控制效果的優(yōu)劣決定了微機械傳感系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的生命周期。因此采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[6]方法分別對不同傳感節(jié)點下的生命周期運行輪數(shù)實行仿真分析對比測試，設置生命周期運行輪數(shù)共有5 000 輪，生命周期越高表明該方法的節(jié)點能耗均衡效果越強，控制效果越佳，具體的測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法下生命周期對比

如圖4 可知，在最初測試時，三種方法的生命周期運行輪數(shù)大不相同，所提方法的初始輪數(shù)高于文獻[3]方法和文獻[6]方法，在后續(xù)測試期間所提方法的生命周期運行輪數(shù)始終高于其余兩種方法。由此可以看出所提方法的生命周期運轉(zhuǎn)輪數(shù)長，而文獻[3]方法的生命周期運行輪數(shù)最短，驗證了所提方法的傳感節(jié)點能耗控制效果極佳，文獻[3]方法的控制效果最差。

4 結(jié)束語

針對微機械傳感節(jié)點能耗控制研究方法存在的問題，提出基于加權(quán)分簇的微機械傳感節(jié)點能耗控制研究方法。該方法首先解析了微機械傳感系統(tǒng)節(jié)點能耗的影響因素，基于分析結(jié)果利用加權(quán)分簇控制微機械傳感節(jié)點能耗，實現(xiàn)了整體控制，該方法在節(jié)點能耗控制方法中占據(jù)著重要地位，在今后控制方法中有著長遠的發(fā)展前景。