宋偉奇王代遠

(1.柳州城市職業(yè)學(xué)院,廣西 柳州545036;2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州545004)

0 引言

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、車輛網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的部署規(guī)模越來越大,性能穩(wěn)定性與生存時間的需求越來越高.[1-2]面對大規(guī)模WSN部署,如何提供優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制方法,成為該領(lǐng)域的研究熱點和瓶頸.[3-4]傳統(tǒng)WNS的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化多數(shù)是基于節(jié)點能量的約束,通過能耗均衡度量WSN的控制優(yōu)劣,例如,文獻[5]通過節(jié)點剩余能量和節(jié)點度聯(lián)合實現(xiàn)了拓撲的優(yōu)化分析,但是能耗約束限制了節(jié)點度本身的擴展,拓撲數(shù)量有限;文獻[6]進一步將容錯控制方法引入到拓撲控制過程,但是忽略了模型約束條件本身的物理邊界和應(yīng)用背景,失去了應(yīng)用的普適性.隨后,研究人員提出采用節(jié)點能量和容量參數(shù)進行約束優(yōu)化的思想,先后提出了POA[7]和FTEL[8]拓撲方法,有效緩解了數(shù)據(jù)擁塞問題,但是引入了過多的擁塞判斷機制,導(dǎo)致計算復(fù)雜、實時性差,而且在網(wǎng)絡(luò)拓撲增加的情況下,穩(wěn)定性急劇降低;[9]文獻[10]將博弈論的思想引入到節(jié)點優(yōu)化系統(tǒng),構(gòu)建了分布式控制過程,但僅給出了理論分析,同時缺乏對節(jié)點權(quán)重本身影響的分析.而且,現(xiàn)有針對無線網(wǎng)絡(luò)拓撲的研究均是在有限的節(jié)點布局情況下的系數(shù)分布式部署,沒有考慮未來節(jié)點規(guī)模增加以及部署密度較大的應(yīng)用場景,[11]導(dǎo)致現(xiàn)有的擁塞優(yōu)化方法很難解決密集部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的擁塞問題,進一步增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗,加劇了網(wǎng)絡(luò)的消亡過程.

針對現(xiàn)有研究中存在的問題和不足,筆者立足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能源耗盡和鏈路數(shù)據(jù)完全堵塞兩個極端情況進行拓撲控制方法的優(yōu)化,提出了一種節(jié)點優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲控制方法.構(gòu)建了節(jié)點優(yōu)化模型,推導(dǎo)了節(jié)點最長生命周期的約束條件,并基于生存時間和節(jié)點可靠權(quán)值的約束條件下進行節(jié)點權(quán)值的優(yōu)化,提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和壽命周期.最后,基于計算機仿真對本文方法的性能進行了詳細的對比分析.

1 節(jié)點優(yōu)化模型

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可靠度是度量節(jié)點生存能力和能耗高低的主要指標(biāo)之一,為構(gòu)建有效的優(yōu)化模型,本文根據(jù)能量耗盡失效以及鏈路完全堵塞失效兩種極端工況進行模型的構(gòu)建,并詳細推導(dǎo)了節(jié)點可靠度權(quán)值同各參量之間的約束關(guān)系.常用節(jié)點可靠度的表示為[12]

其中,f e(i)和f c(i)分別表示節(jié)點i在能量耗盡和完全堵塞情況下的失效概率.根據(jù)文獻[13]的研究,可將f e(i)計算為

式(2)中,E0(i)、E c(i)t分別是能量初值和消耗值,t為網(wǎng)絡(luò)生命長度時間(計算中考慮實際運行時間).

如果采用一階模型,在距離為d的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳輸lbit信息,則可以將發(fā)送信息能量消耗值計算為

接收信息能量消耗值計算為

其中,Etx和Erx分別表示發(fā)送和接收的能量消耗值,Eelec表示無線發(fā)射傳輸系數(shù),εamp為無線發(fā)射鏈路的放大系數(shù).則總能耗E c(i)為

可將傳輸路徑長度d和節(jié)點度k的關(guān)系表示為[14]

聯(lián)合式(5)和(6),則有

聯(lián)合式(7)和(2),則有

其中,

如果將交換信息量表示為l,則最大負載可以表示為如果通信鏈路的最大容量為C0,則鏈路完全擁塞的節(jié)點失效概率計算為

聯(lián)合(8)、(11)和式(1),可將節(jié)點可靠度表示為

2 壽命約束條件分析

該部分主要分析網(wǎng)絡(luò)壽命的約束調(diào)條件,網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提是高于最低生存時間閾值tmin,即t≥tmin,等價為節(jié)點度要高于最低閾值kmin,即≥kmin,根據(jù)式(12)可以進一步將兩種關(guān)系表示為

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可靠度最大時,其失效概率應(yīng)該滿足R(i)=R0(i),則網(wǎng)絡(luò)生存時間可以表示為[15]

對式(14)求導(dǎo),可以將網(wǎng)絡(luò)生存時間的約束節(jié)點度計算為

式(17)即為網(wǎng)絡(luò)壽命的時間約束條件,相比現(xiàn)有的研究,[16-18]本文節(jié)點優(yōu)化理論上能夠有效擴展網(wǎng)絡(luò)拓撲范圍并有效延長生命周期.

3 計算機仿真分析

為驗證本文方法的有效性,基于 MATLAB 2015a軟件構(gòu)建了仿真網(wǎng)絡(luò)平臺,并將優(yōu)化結(jié)果同文獻[7]和文獻[8]的方法進行了量化對比分析.仿真實驗中采用的參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 實驗參數(shù)設(shè)置說明Tab.1 Experimental parameter setting instructions

3.1 穩(wěn)定性與可靠性分析

隨著數(shù)據(jù)傳輸,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量耗盡或者完全堵塞的情況下,節(jié)點會失效,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性降低.為了度量網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性,在仿真中隨機構(gòu)建了200個節(jié)點的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在每一次傳輸?shù)倪^程中,要求所有節(jié)點參與數(shù)據(jù)交互,并在實驗過程中記錄能量耗盡和完全堵塞的節(jié)點,記錄為消亡節(jié)點,最后生存下載的節(jié)點中,保持最大聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)即代表了該網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性.

實驗結(jié)果如圖1所示,從圖1中可以明顯看出,隨著網(wǎng)絡(luò)運行時間的增加,三種方法的穩(wěn)定性和可靠性均在降低,但是文獻[7]方法下降最快,穩(wěn)定性最差,文獻[8]方法要優(yōu)于文獻[7]方法,但是總體而言,而本文方法保持了較好的穩(wěn)定性和可靠性,有效提高了無線網(wǎng)絡(luò)拓撲的穩(wěn)健性.

圖1 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性曲線Fig.1 Network stability curve

3.2 壽命長度分析

在增強網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的同時,還要分析網(wǎng)絡(luò)的生存能力,根據(jù)第2部分的分析可以看出,平均節(jié)點度越高,其能耗就越大,節(jié)點的壽命就越短,該部分主要針對設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點度進行仿真,結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出,傳統(tǒng)的文獻[7]算法隨著節(jié)點數(shù)增加而呈現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象,主要是因為該方法嚴(yán)重依賴節(jié)點個數(shù)和使用的數(shù)據(jù)交換路徑個數(shù),隨著數(shù)量的增加,計算復(fù)雜度也在增加,導(dǎo)致壽命急劇降低.而本文方法和文獻[8]方法保持了較好的生存能力,相比較而言,本文方法取得了更好的生存能力,其節(jié)點度始終維持在4左右,幾乎與節(jié)點數(shù)的增加沒有關(guān)系,主要是因為本文方法基于節(jié)點進行優(yōu)化,通過優(yōu)化控制,分布式執(zhí)行,在提升精度和效率的同時,不受節(jié)點個數(shù)和路徑個數(shù)的限制,具有穩(wěn)定的長壽命特性.

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命曲線Fig.2 Network node life curve

4 結(jié)語

通過構(gòu)建節(jié)點可靠度模型以及理論分析得出了在節(jié)點可靠度最大且網(wǎng)絡(luò)生存時間最長的條件下的最優(yōu)節(jié)點度,進而依據(jù)最優(yōu)節(jié)點度提出了一種基于節(jié)點優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲控制方法.最后通過計算機仿真驗證了本文方法具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)生存能力和可靠性,為WCN拓撲控制優(yōu)化提供了一定的借鑒.后續(xù)的研究中將主要針對實際應(yīng)用環(huán)境進行算法性能的測試和優(yōu)化研究,進一步提升該方法的實用性.