徐瑋瑋

(徐州工程學院 實訓實驗室與設備管理處，江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展，采用無線傳感組網(wǎng)方法進行數(shù)據(jù)傳輸控制，構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸模型，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎拈_銷控制能力，在采用無線傳感網(wǎng)絡進行分簇節(jié)點傳輸過程中，受到網(wǎng)絡節(jié)點組網(wǎng)的隨機性的影響，導致出現(xiàn)能量傳輸失衡，需要進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸控制協(xié)議設計，構建能量開銷控制模型，進行節(jié)點的優(yōu)化部署，相關的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸控制方法研究受到人們的極大關注[1].對無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸實驗是建立在對節(jié)點的優(yōu)化部署和路由協(xié)議設計基礎上，采用均衡控制方法，進行分簇節(jié)點節(jié)能傳輸模式下無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能控制和部署，但上述方法進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)淖赃m應性不好，能量開銷較大，針對上述問題，本文提出基于最優(yōu)節(jié)能控制的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸實驗模擬分析方法.構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點優(yōu)化部署模型，結合模糊特征提取方法進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸過程中的最優(yōu)特征量提取，實現(xiàn)網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)膬?yōu)化控制和自適應均衡調度，最后進行仿真實驗分析，展示了該方法在提高無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸能力方面的優(yōu)越性能.

1 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署和能耗分析

1.1 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署

為了實現(xiàn)分簇節(jié)點節(jié)能傳輸模式下無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化傳輸，構建無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能傳輸控制模型，構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點優(yōu)化部署模型，建立路由均衡控制下的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)湍芎恼{度的信道均衡模型[2]，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇調度過程中的衡加權調節(jié)，得到無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點的加權函數(shù)為：

z(i,d)=xr1+F*(xr2-xr3).

(1)

其中F為無線傳感網(wǎng)絡分簇傳輸?shù)臄U頻因子，構建多跳路由傳輸信道模型，采用能量均衡調度方法，進行分布式協(xié)同調度，得到無線傳感網(wǎng)絡的能量均衡控制的協(xié)同調度集{S1,S2,…,SL}，采用最短路徑尋優(yōu)方法進行傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的分組轉發(fā)控制協(xié)議設計[3]，得到兩個節(jié)點之間的自適應鏈路均衡控制的特征值TS(u)=max(TS(v)+1,TS(u))，定義跨層鏈路節(jié)點傳輸序列為：

(2)

(3)

其中，fij表示網(wǎng)絡傳遞的均衡率.全網(wǎng)絡能量均衡拓撲方式進行分簇節(jié)點節(jié)能傳輸過程中的綜合評價，得到能量均衡控制的評價值Ei，無線傳感器網(wǎng)絡的能量估計矩陣為：

(4)

在第k個時間窗口中，進行無線傳感器網(wǎng)絡的能量傳輸控制，得到時隙分布為：

(5)

其中，si(t)為無線傳感網(wǎng)絡能量消耗特征量，xm(t)為無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點的輸出比特序列，根據(jù)上述分析，構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點分布模型，如圖1所示.

圖1 無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點分布模型

1.2 低能耗調度信道模型及能耗開銷分析

采用自適應均衡的路由轉發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，提取無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點傳輸?shù)南喔尚蕴卣髦礫4]，在無線傳感通信網(wǎng)絡傳輸信道中，采用等效全網(wǎng)絡能量調度方法，構建信道傳輸模型為：

(6)

采用無線自組網(wǎng)絡的通信協(xié)議，構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點傳輸?shù)南喔尚蕴卣鳈z測模型[5]，得到傳感器組網(wǎng)傳輸?shù)哪芰块_銷為：

(7)

其中{x(i,d),z(i,d),u(i,d)}分別為多跳路由轉發(fā)次數(shù)和信道的帶寬，表示為{xi,zi,ui}的第d維分量，CR為最優(yōu)能量覆蓋集，rni是隨機整數(shù)，簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量開銷估計值為：

(8)

基于兩跳鄰居節(jié)點的能量開銷反饋均衡調節(jié)修正方法，進行無線傳感網(wǎng)絡能量均衡控制，構建能量開銷均衡調度模型[6]，得到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點傳輸控制的協(xié)同特征量滿足i∈Ss，引入最大競爭半徑，可以得到：

(9)

采用空間均衡調度方法進行網(wǎng)絡傳輸協(xié)議模式構建[7]，得到無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點的閾值調度模型滿足：

(10)

采用比特序列均調度方法，進行無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分簇調度，對含有n個樣本，其中樣本xi，i=1,2,…,n在無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，得到輸出比特序列流為：

(11)

式中，amn稱為第j+1層數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰糠?，gmn(t)為網(wǎng)絡節(jié)能傳輸?shù)慕y(tǒng)計平均值，n(t)為干擾分量，調假設網(wǎng)絡中各簇首節(jié)點的能耗系數(shù)是εmp，簇首節(jié)點構成簇首節(jié)點集C={CHi|1≤i≤N}，單位能耗傳輸碼片的時間為：

Tc=ent(Tf/Nc).

(12)

在最小接收功率約束下，采用自適應均衡的路由轉發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，輸出的統(tǒng)計時間序列滿足cjTc

2 無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸優(yōu)化

2.1 無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議

在上述構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點優(yōu)化部署模型的基礎上，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，本文提出基于最優(yōu)節(jié)能控制的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸實驗模擬分析方法.建立路由均衡控制下的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)湍芎恼{度信道模型，采用自適應均衡的路由轉發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計[9]，分簇節(jié)點接收到的特征序列為x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)為無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點傳輸?shù)碾x散時間序列，0≤n≤N-1，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哳l分量x的離散傅里葉變換(DWT)定義如下:

(13)

其中0≤k≤N-1，表示無線激光傳感器數(shù)據(jù)的長度，設信號x(n)經(jīng)離散正交小波變換后，用X=DFT{x}表示無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)膸挘捎眠m應度函數(shù)作為無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)目刂颇繕撕瘮?shù)，結合輸出有效性調節(jié)方法，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇控制，得到最優(yōu)控制函數(shù)表示如下：

fij=wtδt+wcδc+wqδq+wsδs.

(14)

其中wt+wc+wq+ws=1，t代表網(wǎng)絡中簇首節(jié)點的采樣時間間隔，c代表無線傳感器節(jié)點傳輸?shù)拈_銷代價(cost)，q代表數(shù)據(jù)訪問的質量(quality)，網(wǎng)絡中簇首節(jié)點的能量開銷SINR<γth，自適應均衡調度的控制迭代方程為：

(15)

在路由沖突下得到無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點傳輸?shù)哪芰繐p耗模型[10]，得到無線傳感網(wǎng)絡分簇傳輸?shù)哪芰繉傩苑植紴椋?/p>

(16)

對剩余活動節(jié)點能量消耗進行反饋調節(jié)，自適應調節(jié)系數(shù)描述如下：

v(t+1)=ωv(t)+φ(p-x(t)).

(17)

x(t+1)=x(t)+v(t+1).

(18)

對于CHi(i∈C1)，區(qū)域轉換的特征分布系數(shù)為：

φws(s,τ)=|χws(s,τ)|2.

(19)

式中：

(20)

根據(jù)上述分析，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，提高節(jié)能傳輸能力.

2.2 網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸

結合模糊特征提取方法進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸過程中的最優(yōu)特征量提取，無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點調度的執(zhí)行時間定義為：

(21)

在云計算平臺中，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)湍芎恼{度，得到節(jié)能調度的控制模型表達為：

(22)

構建無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸中的RTTs防沖突任務協(xié)議，建立路由均衡控制下的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸模型，得到能量均衡特征分布集滿足：

(23)

V={vij|i=1,2,…,c,j=1,2,…,s}.

(24)

假設網(wǎng)絡中有N個簇首節(jié)點，建立分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)膬?yōu)先任務集合P(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}，求得優(yōu)先級屬性，得無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域覆蓋的模糊迭代方程為：

(25)

結合模糊特征提取方法進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸過程中的最優(yōu)特征量提取，實現(xiàn)網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)膬?yōu)化控制和自適應均衡調度.

3 仿真實驗與結果分析

為了測試所提方法在實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸中的應用性能，結合Matlab進行仿真試驗分析，節(jié)點的發(fā)射功率范圍為120 kW-200 kW，對傳感器節(jié)點的采樣的時間間隔為1.46 s，最優(yōu)節(jié)能控制系數(shù)為0.13，簇首節(jié)點的發(fā)射功率為20 kW，節(jié)點的傳輸半徑為100 m，功率密度Pe=0.12，Pd=0.53，其它參數(shù)設定見表1.

根據(jù)上述參數(shù)設定，進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)能傳輸控制，得到傳輸數(shù)據(jù)如圖2所示.

表1 實驗參數(shù)設定

圖2 無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)能傳輸數(shù)據(jù)

采用自適應均衡的路由轉發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，提取無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點傳輸?shù)南喔尚蕴卣髦担瑢崿F(xiàn)節(jié)點的節(jié)能傳輸控制，得到輸出能效開銷如圖3所示.

圖3 不同參數(shù)約束下的無線傳感網(wǎng)絡的能效測試

分析圖3得知，采用該方法進行網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)淖赃m應能量均衡性較好，數(shù)據(jù)轉發(fā)的成功率較高，具有很好的節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)控制和節(jié)能傳輸能力.

4 結語

進行無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸控制協(xié)議設計，構建能量開銷控制模型，進行節(jié)點的優(yōu)化部署，提出基于最優(yōu)節(jié)能控制的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸實驗模擬分析方法.建立路由均衡控制下的無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)湍芎恼{度的信道均衡模型，采用自適應均衡的路由轉發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能路由探測協(xié)議設計，基于兩跳鄰居節(jié)點的能量開銷反饋均衡調節(jié)修正方法，進行無線傳感網(wǎng)絡能量均衡控制，

在路由沖突下得到無線傳感網(wǎng)絡分簇節(jié)點傳輸?shù)哪芰繐p耗模型，實現(xiàn)網(wǎng)絡分簇節(jié)點節(jié)能傳輸?shù)膬?yōu)化控制和自適應均衡調度.