無線網(wǎng)絡(luò)中高效能量感知的路由分配算法

摘要：在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸過程會(huì)產(chǎn)生能耗，當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期可能受到顯著影響。鑒于此，文章研究了一種高效能量感知的路由分配算法，構(gòu)建了一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型，該模型綜合考慮了計(jì)算能耗、感知能耗、發(fā)射數(shù)據(jù)能耗和接收數(shù)據(jù)能耗4個(gè)關(guān)鍵方面。在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)路由分配時(shí)，充分權(quán)衡了有限的傳輸資源與延長網(wǎng)絡(luò)有效生命周期的迫切需求。并基于上述能耗模型，設(shè)計(jì)了一種能效最大化的路由分配算法。測(cè)試結(jié)果表明，采用該算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行至第400個(gè)周期時(shí)，平均剩余能量才降至零，這意味著設(shè)計(jì)的路由算法能夠顯著延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，并展現(xiàn)出卓越的傳輸性能。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；能量感知；路由分配；傳感器節(jié)點(diǎn)能耗；傳輸資源；能效最大化

中圖分類號(hào)：TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在無線網(wǎng)絡(luò)中，路由分配的核心任務(wù)在于確保數(shù)據(jù)包能以最高效率、最低延遲從源節(jié)點(diǎn)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)滿足各類業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、延遲和抖動(dòng)等性能參數(shù)的特定需求［1］。此過程旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的均衡分布，預(yù)防因節(jié)點(diǎn)或鏈路過載而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸異常。針對(duì)這些目標(biāo)，路由分配不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)的物理連接和邏輯結(jié)構(gòu)以確定最優(yōu)路徑，還需基于不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、延遲等指標(biāo)的特定要求［2］，合理調(diào)配路由資源。

潘志安等［3］提出一種基于模糊粒子群算法的路由資源配置策略，該策略利用粒子群算法在群體協(xié)作和信息共享中的優(yōu)勢(shì)，尋找最優(yōu)的路由資源配置方案。然而，該算法在面臨不同問題場(chǎng)景時(shí)，如何選擇合適的參數(shù)以達(dá)到最佳效果是一大挑戰(zhàn)。此外，算法在尋優(yōu)速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方面存在不足，易于陷入局部最優(yōu)解，進(jìn)而影響收斂精度和收斂速度。王世成等［4］提出了一種基于業(yè)務(wù)承載力的路由分配算法，該算法根據(jù)各業(yè)務(wù)的具體需求進(jìn)行路由分配，有效提升了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)整體性能。然而，該算法須要對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)的承載力進(jìn)行細(xì)致的評(píng)估，增加了算法的復(fù)雜度。同時(shí)，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，該算法的適應(yīng)性可能受限，須要不斷更新和優(yōu)化以適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

本文研究了無線網(wǎng)絡(luò)中高效能量感知的路由分配算法，以期在保障網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，優(yōu)化能量使用效率。

1 無線網(wǎng)絡(luò)路由分配算法設(shè)計(jì)

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型構(gòu)建

在構(gòu)建考慮節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型時(shí)，本文將節(jié)點(diǎn)能耗分為4個(gè)主要部分，分別為計(jì)算能耗、感知能耗、發(fā)射數(shù)據(jù)能耗和接收數(shù)據(jù)能耗［5］。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型表示為：

E=Ec+Es+Et+Er（1）

其中，E表示無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)總能耗，Ec表示無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能耗，Es表示無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能耗，Et表示無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射數(shù)據(jù)能耗，Er表示無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)能耗。

計(jì)算能耗主要指節(jié)點(diǎn)在處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行算法等計(jì)算任務(wù)時(shí)所消耗的能量。這一能耗與節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、執(zhí)行的算法復(fù)雜度緊密相關(guān)［6］，因此，在特定的無線網(wǎng)絡(luò)配置下，它通常是一個(gè)定值。相比之下，感知能耗則與傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感設(shè)備直接相關(guān)，但它在總能耗中所占的比例較?。?］。為簡(jiǎn)化后續(xù)路由分配算法的復(fù)雜性，本文并未對(duì)感知能耗部分進(jìn)行深入的細(xì)化分析。

發(fā)射能耗主要是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中所消耗的能量，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、通信距離以及信號(hào)衰減指數(shù)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，計(jì)算公式表示為：

Et（n，d）=ndk（2）

其中，n表示傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量參數(shù)，d表示傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行通信的距離參數(shù)，k表示傳輸過程中信號(hào)的衰減指數(shù)。

接收能耗是傳感器節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)所消耗的能量，主要與接收的數(shù)據(jù)量和射頻電路的能耗系數(shù)相關(guān)，計(jì)算公式表示為：

Er（n）=Eelec×n（3）

其中，Eelec表示射頻電路的能耗系數(shù)。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型的構(gòu)建，為后續(xù)的路由分配提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.Lvs5+Q3ucwK8bNuWJGh/yA==2 無線網(wǎng)絡(luò)路由分配

在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)路由分配時(shí)，本文充分考慮了有限傳輸資源下的網(wǎng)絡(luò)有效生命周期延長需求?；?.1小節(jié)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型，本文設(shè)計(jì)了一種能效最大化的路由分配算法，以確保在資源受限的條件下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)化。

設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的初始能量為Einiti ，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的通信距離［8］，利用式（1）計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗狀態(tài)［9］。路由選擇，即對(duì)于每個(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)i，選擇下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)j。以剩余能量最高且通信距離合適的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)［10］，計(jì)算公式表示為：

其中，Ek（t）表示信號(hào)的衰減指數(shù)為k時(shí)，當(dāng)前路由選擇的傳輸能耗；neighbors（i）表示參與數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)i的所有鄰近節(jié)點(diǎn)，可以作為下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸節(jié)點(diǎn)；Ptx表示節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所需的發(fā)射功率參數(shù)；dik表示節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所需通過的距離；Prx表示節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)所需的功率參數(shù)。

按照上述方式，確定數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)i發(fā)送到節(jié)點(diǎn)j后，更新2個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，計(jì)算公式表示為：

Einiti（1）=Einiti-Ek（t）（5）

Einitj（1）=Einiti-Er（t）（6）

其中，Einiti（1）表示節(jié)點(diǎn)i的剩余能量更新結(jié)果，Einitj（1）表示節(jié)點(diǎn)j的剩余能量更新結(jié)果。

結(jié)合本文設(shè)計(jì)的路由分配算法，節(jié)點(diǎn)在傳輸鏈路中的選擇是基于其自身能量狀態(tài)的。這種做法旨在防止因單一節(jié)點(diǎn)承擔(dān)過多傳輸任務(wù)而導(dǎo)致的過早“耗盡”問題，確保網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)保持相對(duì)均衡的“活躍”狀態(tài)，進(jìn)而延長無線網(wǎng)絡(luò)的有效生存周期。

按照上述方式，以中繼節(jié)點(diǎn)j為基準(zhǔn)，利用式（4）確定下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，并按照式（5）—（6）更新階段的剩余能量。由此，實(shí)現(xiàn)能效最大化路由分配。

2 測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

設(shè)置TOSSIM仿真無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖1所示。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)200 m×200 m的矩形區(qū)域作為無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍，并在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。其中，基站被設(shè)置在區(qū)域的中心，用于數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和感知半徑，設(shè)置其保持一致，分別為50.0 J/bit和20.0 m，以此確保其能夠覆蓋并監(jiān)測(cè)整個(gè)區(qū)域。在模擬實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量（EA）被設(shè)定為2.0×105 J，以此模擬實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中的能量限制。在模擬能量消耗的過程中，設(shè)定了特定的能量消耗參數(shù)，具體為節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)包將消耗5.0 J能量，而每次數(shù)據(jù)采集和處理操作將消耗1.0 J能量。

在TOSSIM仿真環(huán)境中，考慮到無線信號(hào)的傳播受到距離和物理障礙的限制，而不僅僅是基于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，為了模擬真實(shí)的無線通信環(huán)境，本文為每個(gè)節(jié)點(diǎn)引入了一個(gè)大小在（200，200）范圍內(nèi)的虛擬坐標(biāo)，使得TOSSIM能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離和感知半徑的關(guān)系，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息能否被其他節(jié)點(diǎn)接收到。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在上述測(cè)試環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置潘志安等［3］提出的以模糊粒子群算法為基礎(chǔ)的路由資源配置算法以及王世成等［4］提出的以業(yè)務(wù)承載力為基礎(chǔ)的路由分配算法作為測(cè)試的對(duì)照組，并分別測(cè)試隨著運(yùn)行周期的推進(jìn)，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量值。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

結(jié)合表1所示的測(cè)試結(jié)果，對(duì)3種不同路由算法的性能進(jìn)行對(duì)比分析。潘志安等［3］的算法和王世成等［4］的算法均在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的第350個(gè)周期達(dá)到平均剩余能量值為0的狀態(tài)，相比之下，在本文設(shè)計(jì)路由分配算法下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的第400個(gè)周期達(dá)到平均剩余能量值為0的狀態(tài)，與對(duì)照組相比，具有更好的應(yīng)用效果。由此可以得出結(jié)論，本文設(shè)計(jì)路由算法下的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間更長，使得無線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸性能。

3 結(jié)語

對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)而言，傳輸效能直接決定了對(duì)應(yīng)傳輸鏈路的傳輸能力，因此，在開展具體的路由分配階段，充分考慮傳輸效能是極為必要的。本文提出的無線網(wǎng)絡(luò)中高效能量感知的路由分配算法研究，結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)中各鏈路的實(shí)際能力狀態(tài)感知結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)路由的合理分配，大大提高了無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，使得固定傳輸資源條件下，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期得到保障。借助本文對(duì)于路由分配算法的研究與設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)閷?shí)際的無線網(wǎng)絡(luò)管理提供有價(jià)值的參考。

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Routing allocation algorithm for efficient energy sensing in wireless networks

Abstract： In wireless networks， due to energy consumption during transmission， the effective lifecycle of the network may be significantly affected when some nodes run out of energy. In view of this， the article studies an efficient energy aware routing allocation algorithm and constructs an energy consumption model for wireless network sensor nodes， which comprehensively considers four key aspects： computational energy consumption， perception energy consumption， transmission data energy consumption， and reception data energy consumption. When allocating wireless network routes， the urgent need to balance limited transmission resources with extending the effective lifecycle of the network is fully considered. And based on the above energy consumption model， a routing allocation algorithm that maximizes energy efficiency was designed. The test results show that the average remaining energy of network nodes using this algorithm only drops to zero after running for the 400th cycle， which means that the designed routing algorithm can significantly extend the network lifetime and demonstrate excellent transmission performance.

Key words： wireless network; energy perception; routing allocation; energy consumption of sensor nodes; transmission resources; maximizing energy efficiency