張 震，蓋昊宇

(安徽工商職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 231131)

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，采用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)分布模型，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和檢測，在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)通信中，需要對物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時任務(wù)調(diào)度，采用分布式的路由傳輸鏈路模型進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，降低能量開銷，提高節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)能力[1]。物聯(lián)網(wǎng)可靠度評價的關(guān)鍵是節(jié)點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度的實(shí)時性和能量開銷等，需要對物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)路由進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)前采用剩余能量均衡方法進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時任務(wù)調(diào)度，隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增大，任務(wù)調(diào)度的實(shí)時性不好，而采用分層鏈路轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度的自適應(yīng)學(xué)習(xí)性能不好[2]。針對上述問題，提出一種基于最短路徑尋優(yōu)和功耗均衡配置的物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度方法。首先，建立物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)最短路徑尋優(yōu)控制的網(wǎng)絡(luò)空間節(jié)點(diǎn)部署模型。然后，進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度路由算法設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，展示了本文方法在提高傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度能力方面的優(yōu)越性能。

1 物聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)分布模型及傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位

1.1 物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)分布模型

圖1 物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)分布模型

研究物聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度模型，需要進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)最優(yōu)分布密度模型分析。用一個二元有向圖G=(V,E)表示物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)分布的有向圖模型結(jié)構(gòu)，其中，V是部署在空間探測區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)頂點(diǎn)集；E是物聯(lián)網(wǎng)在傳感節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域G中所有邊的集合。假設(shè)M1，M2…MN為物聯(lián)網(wǎng)的傳感節(jié)點(diǎn)的有限數(shù)據(jù)集，采用歐式距離表示物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)之間的覆蓋半徑，得到網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)的分布模型如圖1所示。

(1)

其中x1和x2分別表示鏈路層和傳輸層的傳輸碼元。由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率pi*是F的極值點(diǎn)，由此得到物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)的輸出特征量NIntrai(n)，可以表示為：

NIntrai(n)=NIntrai(n)+1, ifj∈Ni∩tij

(2)

物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)能量耗散矩陣記為BN×1，計(jì)算式如下：

(3)

將物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的分布式傳感矩陣SN × L與節(jié)點(diǎn)接收lbits數(shù)據(jù)的功率損失進(jìn)行卷積處理，建立物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)最短路徑尋優(yōu)控制的網(wǎng)絡(luò)空間節(jié)點(diǎn)部署模型[3]，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的全網(wǎng)傳輸任務(wù)關(guān)聯(lián)信息熵提取，如下：

(4)

用CIntrai(n)表示節(jié)點(diǎn)i在整個物聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域定位的最優(yōu)間隔，由此構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)傳輸任務(wù)分布的信道模型，結(jié)合信道均衡配置和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)，進(jìn)行傳輸任務(wù)的實(shí)時調(diào)度。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位

對物聯(lián)網(wǎng)中的每個節(jié)點(diǎn)都配置一個鄰居列表。設(shè)一個邊長為M的正方形為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域，共有N個物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的路由中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)傳輸?shù)男诺缼挒門s=NfTf。物聯(lián)網(wǎng)的相鄰節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的信道衰減為：

Tc=ent(Tf/Nc)，

(5)

當(dāng)滿足cjTc

(6)

其中，bj為節(jié)點(diǎn)剩余能量，Ts為輸出節(jié)點(diǎn)的多徑衰減，Tf為時間閾值，Tc為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡度。物聯(lián)網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)定位過程中，采用自適應(yīng)鏈路重組和輪換技術(shù)[4]，得到節(jié)點(diǎn)調(diào)度的時延開銷和幅值均衡配置系數(shù)分別為αl和τl，其中，l∈[0,L-1]，τ0<τ1<…τL-1，得到物聯(lián)網(wǎng)中傳感點(diǎn)調(diào)度的空間度量目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

ERx(L)=LEelect，

(8)

其中，Eelect表示節(jié)點(diǎn)鏈路的瞬時功耗，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的移動節(jié)點(diǎn)競選簇為簇頭時，置ru為0。得到輸出的總功耗為：

E=ETx(l,d(ni,nj))+ERx(l)+ETx(l,dj)=l(Eelec+εfsd2(ni,nj))+lEelec+l(Eelec+εfsdj2)

=3lEelec+lεfs(d2(ni,nj)+dj2) .

(9)

根據(jù)簇頭的Eres和它與Sink的距離，計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的路由傳遞函數(shù)為：

(10)

在鏈路l兩端進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)學(xué)習(xí)，物聯(lián)網(wǎng)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)密度分布問題轉(zhuǎn)換為求ni的負(fù)載問題，由此實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位。

2 物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度優(yōu)化

2.1 特征提取和路徑尋優(yōu)

在建立物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)最短路徑尋優(yōu)控制的網(wǎng)絡(luò)空間節(jié)點(diǎn)部署模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]，提出一種基于最短路徑尋優(yōu)和功耗均衡配置的物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度方法。發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的傳輸距離大于或等于閾值d0時，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信負(fù)載模型為：

(11)

(12)

另外，ω(t)為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)權(quán)重，對傳感信息進(jìn)行多模融合，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)傳輸任務(wù)的最短路徑計(jì)算關(guān)聯(lián)特征量，采用初始能量密度尋優(yōu)控制方法，進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度，調(diào)度模型描述為：

當(dāng)f(xid(t-1))-μd<-Th時：

vid(t)=wvid(t-1)+Crand(pbestid(t-1)-xid(t-1))，

(13)

當(dāng)f(xid(t-1))-μd>Th時：

vid(t)=wvid(t-1)+Crand(gbestd(t-1)-xid(t-1))。

(14)

為了提高傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的實(shí)時性，進(jìn)行調(diào)度過程的能量均衡性控制，計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)的實(shí)時能量開銷[6]，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的敏感參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性節(jié)點(diǎn)，任務(wù)調(diào)度的負(fù)載特征分布表達(dá)式為：

ERx(l)=lEelec，

(15)

其中，d為鄰居節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離；Eelec為物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的初始能量密度；r是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的通信輪次。結(jié)合最短路徑尋優(yōu)和全局均衡路由算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的鏈路自動轉(zhuǎn)發(fā)，得到傳輸任務(wù)調(diào)度的P列矢量：

(16)

計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)簇頭節(jié)點(diǎn)的能量開銷，得到傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸時任的實(shí)時能量開銷：

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n(1-Pd)n-1]m}。

(17)

計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸時的實(shí)時能量開銷，結(jié)合最短路徑尋優(yōu)方法進(jìn)行傳輸任務(wù)的特征提取和優(yōu)化分配[7]。

2.2 節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度輸出

在全局均衡路由算法控制下構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的信道模型，采用鏈路均衡配置方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)的實(shí)時調(diào)度，任務(wù)調(diào)度的瞬時誤差函數(shù)為：

(18)

在每輪通信過程采用信道分配策略，以此得到最佳信道匹模型，描述如下所示：

(19)

調(diào)整均衡器的抽頭系數(shù)，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)中各個節(jié)點(diǎn)的路由偏移修正[8]，求解多徑干擾下物聯(lián)網(wǎng)傳輸鏈路稀疏表矩陣W的最優(yōu)解為：

(20)

結(jié)合最短路徑尋優(yōu)和全局均衡路由算法，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的鏈路自動轉(zhuǎn)發(fā)和均衡設(shè)計(jì)，傳輸任務(wù)調(diào)度的鏈路自動轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議用下式描述為：

Dopt=λXV-1WT(WV-1WT)-1 。

(21)

節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度均衡控制的遞推計(jì)算形式為：

(22)

(23)

隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化，檢測出的碼元的抽頭因子為λi，采用頻域擴(kuò)展方法進(jìn)行信道均衡分配，得到任務(wù)調(diào)度的相關(guān)性特征分布函數(shù)為：

Svi={k(v1,1),...,k(v1,i),...,k(v1,K)},K≤M,j∈M。

(24)

在抽頭線性均衡模型下，物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的穩(wěn)態(tài)誤差滿足Tp=NpTc，ai是物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)輸出的調(diào)制參數(shù)，ε是調(diào)制時間偏移常量。

采用相關(guān)功率譜分析方法，得到物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的負(fù)載均衡控制模型如下所示：

(25)

(26)

(27)

圖2 物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的能量開銷

式中，Ts是任務(wù)調(diào)度的延遲因子，Tp為多徑干擾的采樣數(shù)據(jù)，Tc為實(shí)時任務(wù)調(diào)度的傳遞誤差e(n)之間的時延參量，cj為均衡器參數(shù)(權(quán)重)。根據(jù)上述分析，可以采用最短路徑尋優(yōu)和全局均衡路由算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的鏈路自動轉(zhuǎn)發(fā)和均衡設(shè)計(jì)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該方法在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度中的性能，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用Matlab 7 仿真工具設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布的初始定位區(qū)域?yàn)?0×50 (m2)，傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時任務(wù)調(diào)度采樣的數(shù)據(jù)規(guī)模為2000，測試向量集的樣本個數(shù)為100，傳感器路由節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑為10m，物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的路由拓?fù)涠葦?shù)為m=3，節(jié)點(diǎn)初始能量密度cr=24。根據(jù)上述仿真參量設(shè)定進(jìn)行的物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度，得到節(jié)點(diǎn)的能量開銷結(jié)果如圖2所示。

分析圖2得知，在節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率確定的情況下，物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時任務(wù)調(diào)度的能量開銷滿足均衡性。測試采用不同方法進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的功率，得到對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)的調(diào)度性能測試對比

分析圖3得知，采用該方法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期，丟包率較低，全網(wǎng)均衡性較好。

4 結(jié)束語

對物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時任務(wù)調(diào)度，采用分布式的路由傳輸鏈路模型進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，可以降低能量開銷，提高節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)能力。本文提出一種基于最短路徑尋優(yōu)和功耗均衡配置的物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)實(shí)時調(diào)度方法。建立物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)最短路徑尋優(yōu)控制的網(wǎng)絡(luò)空間節(jié)點(diǎn)部署模型，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的全網(wǎng)傳輸任務(wù)關(guān)聯(lián)信息熵提取，計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)的實(shí)時能量開銷，結(jié)合最短路徑尋優(yōu)和全局均衡路由算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的鏈路自動轉(zhuǎn)發(fā)和均衡設(shè)計(jì)，以此指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時任務(wù)調(diào)度。研究得知，本文方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸任務(wù)調(diào)度的均衡性較好，調(diào)度的實(shí)時性較強(qiáng)。