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        一種性能優(yōu)越的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)

        2021-09-29 07:26:58張仕鵬左嘉志裴歡陳柏良
        微型電腦應(yīng)用 2021年9期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)方法

        張仕鵬, 左嘉志, 裴歡, 陳柏良

        (中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán),廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 510663)

        0 引言

        隨著無(wú)線傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和融合,出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),尤其是近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛速發(fā)展,相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)形式更加靈活、方便,抗干擾能力強(qiáng),在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中,其不斷對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的目標(biāo)以及對(duì)象信息進(jìn)行采集,并將信息通過(guò)一定的路徑發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)管理中心。不同的節(jié)點(diǎn)可以組成不同的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送路徑,但是節(jié)點(diǎn)易被外界非法攻擊,使得有的節(jié)點(diǎn)易失效,數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β氏陆?,為了提高物?lián)網(wǎng)通信效果,需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹4-6]。

        為了獲得理想的物聯(lián)網(wǎng)通信效果,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的控制問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究,西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家的物聯(lián)網(wǎng)使用更早,物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制技術(shù)更加成熟,如基于最短路徑的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法;基于通信成本最低的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法;基于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間最短的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法和基于最短路徑的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法等[7-9],而國(guó)內(nèi)由于物聯(lián)網(wǎng)起步比較晚,因此物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制研究的歷史較短,但亦出現(xiàn)了許多物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù),如有基于群智能算法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法;基于鏈路均衡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)方法等,它們均有自己的優(yōu)勢(shì)[10-11],同時(shí)具有各自的不足,如節(jié)點(diǎn)控制誤差大,控制時(shí)間長(zhǎng),無(wú)法進(jìn)行高效物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制,物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的控制問(wèn)題有待進(jìn)一步研究[12]。

        針對(duì)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法存在的控制準(zhǔn)確性差,控制效率低等不足,以提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制精度,提出了一種性能優(yōu)異的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法。首先根據(jù)路由探測(cè)協(xié)議收集節(jié)點(diǎn)位置和相鄰區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信號(hào),采用小波分析技術(shù)提取節(jié)點(diǎn)信號(hào)特征,然后采用時(shí)間動(dòng)態(tài)匹配算法選擇最優(yōu)路由節(jié)點(diǎn),建立物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑,最后與其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明了本文方法在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制精度和控制效率方面的優(yōu)越性。

        1 性能優(yōu)越物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法的具體設(shè)計(jì)

        1.1 建立物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的匯聚鏈路模型

        在一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中,包括了許多傳感器節(jié)點(diǎn),這些傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和通信性能,要進(jìn)行高精度的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制,那么要建立物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)匯聚鏈路模型。設(shè)物聯(lián)網(wǎng)由N個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成,這些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi),這些節(jié)點(diǎn)位置固定,并且能量分配的初值是相同的,通常情況,還包括一個(gè)基站,基站的能量足夠而且不受限制[13],第i個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn),一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)劃分多個(gè)簇,每一個(gè)簇有一個(gè)簇首,節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔跳數(shù)為T(mén)f,消耗功率為T(mén)s=NfTf,其中Nf表示第一跳消耗的功率,基于節(jié)點(diǎn)傳輸功率博弈分析算法,全部節(jié)點(diǎn)消耗能量計(jì)算式為式(1)。

        (1)

        式中,Tc表示第c簇所有節(jié)點(diǎn)消耗功率;k表示簇首數(shù)量;ent()表示取整操作。

        (2)

        式中,γi為傳感系數(shù),節(jié)點(diǎn)能量均勻控制目標(biāo)函數(shù)為式(3)。

        (3)

        (4)

        利用節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯聚過(guò)程,建立物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的匯聚鏈路模型。

        1.2 建立物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的路由探測(cè)協(xié)議

        M1,M2,…,MN代表物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浼軜?gòu)節(jié)點(diǎn),K{ri}表示物聯(lián)網(wǎng)通信區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布密度,當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浼軜?gòu)最優(yōu)時(shí),通信信道ri(x)是一條雙向通道,可以表示為mu(i,x)+np,根據(jù)匯聚鏈路模型得到節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)牟町愋蕴卣骱瘮?shù)為式(5)。

        Es(j)={(u,v)∈E|u∈Vs(j),v∈Vs(j)}

        (5)

        由于物聯(lián)網(wǎng)中存在的路由修復(fù)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)匯聚鏈路增益控制可以表示為式(6)。

        (6)

        根據(jù)雙向鏈路模型對(duì)路由探測(cè)協(xié)議進(jìn)行設(shè)定,簇首傳輸數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性為式(7)。

        (7)

        (8)

        第j個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的均勻互信息量計(jì)算式為式(9)。

        Ri(k)=diag{r(i-1)q+1(k),r(i-1)q+2(k),…,r(i-1)q+q(k)}

        (9)

        計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)路徑優(yōu)化控制誤差,根據(jù)誤差建立物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性匹配函數(shù),實(shí)現(xiàn)路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)。

        1.3 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制

        通過(guò)路由探測(cè)協(xié)議得到節(jié)點(diǎn)信號(hào)評(píng)測(cè)結(jié)果,采用動(dòng)態(tài)決策算法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制。

        (1) 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)存在衰落現(xiàn)象,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制時(shí),需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。小波分析技術(shù)不僅可以對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析,而且還可以描述節(jié)點(diǎn)信號(hào)變化特征。小波基函數(shù)表示為式(10)。

        (10)

        式中,a,b分別為小波分析的平移和伸縮因子。

        對(duì)于信號(hào)f(t)∈L2(R),連續(xù)小波分析為式(11)。

        (11)

        小波分析的重構(gòu)定義如式(12)。

        (12)

        由于物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)為離散信號(hào),需要進(jìn)行離散化處理,離散小波定義如式(13)。

        (13)

        離散化小波轉(zhuǎn)換為式(14)。

        (14)

        離散化小波的重構(gòu)為式(15)。

        (15)

        通過(guò)小波分析技術(shù)可以將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)劃分為高頻與低頻特征信號(hào),分解的尺度越大,那么信號(hào)更加細(xì)化,這樣可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)衰落點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)處理,并通過(guò)離散化小波的重構(gòu)使得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)比較完整。

        (2) 采用動(dòng)態(tài)決策算法根據(jù)時(shí)間對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)之間特征進(jìn)行匹配,模板特征信號(hào)序列T為式(16)。

        T:{b1,b2,…,bj,…,bM}

        (16)

        式中,bj表示物聯(lián)網(wǎng)的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)特征;M表示信號(hào)特征數(shù)量。

        根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)精準(zhǔn)控制。c(k)為節(jié)點(diǎn)序列間的映射,匹配函數(shù)為式(17)。

        F={c(k),1≤k≤K}

        (17)

        式中,c(k)=(i(k),j(k)),K表示節(jié)點(diǎn)序列的匹配路徑點(diǎn)數(shù)。

        計(jì)算未知序列與模板間的歐式距離為式(18)。

        (18)

        當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)d的值越小,則表示那個(gè)節(jié)點(diǎn)通信最優(yōu),可以包含在最優(yōu)路徑中,存在式(19)。

        (19)

        式中,w(k)為權(quán)重系數(shù)。

        通過(guò)動(dòng)態(tài)變換模式可以得到物聯(lián)網(wǎng)通信的最優(yōu)路徑DT。

        2 仿真實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制效果,進(jìn)行具體仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn),選擇當(dāng)前經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法:文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。它們的測(cè)試環(huán)境為Intel 4核 2.6 GH CPU,8 GB的DDR 4 000內(nèi)存,Windows的個(gè)人計(jì)算機(jī),采用MATLAB 2017進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)。

        2.2 不同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制方法的消耗總功率

        在一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中,所有傳感器節(jié)點(diǎn)初始功率相同,隨著工作時(shí)間的變化,不同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制方法節(jié)點(diǎn)功率變化曲線,如圖1所示。

        圖1 不同方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總功率變化曲線

        對(duì)圖1的節(jié)點(diǎn)功率變化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),隨著工作時(shí)間的不斷增加,所有節(jié)點(diǎn)的總功率不斷減少,對(duì)比方法的節(jié)點(diǎn)功率減少趨勢(shì)十分明顯,呈直線方式下降,而本文物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法的節(jié)點(diǎn)功率減少比較緩慢,節(jié)點(diǎn)總功率降低量小,使得節(jié)點(diǎn)總功率始終要高于對(duì)比方法,這主要是由于本文方法可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高精度的控制,獲得了十分理想的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制效果,驗(yàn)證了本文提出的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法的優(yōu)越性。

        2.3 不同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制方法的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑

        為了進(jìn)一步測(cè)試不同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制方法的性能,計(jì)算它們的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑,隨著時(shí)間的不斷變化,所有方法節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑變化曲線,如圖2所示。

        圖2 不同方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)路徑變化曲線

        對(duì)圖2的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑進(jìn)行對(duì)比和分析可以發(fā)現(xiàn),在不同時(shí)間段,本文提出的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑最短,基本上穩(wěn)定在1.5 m左右,而對(duì)比方法的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑最短變化幅度比較大,且極不穩(wěn)定,而且距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于本文方法的節(jié)點(diǎn)路由最優(yōu)路徑,同時(shí)從圖2可以看出,相對(duì)于對(duì)比方法,本文物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法找到最優(yōu)路徑的時(shí)間明顯縮短,提高了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制效率。

        3 總結(jié)

        針對(duì)當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制過(guò)程中存在的一些難題,為了獲得最優(yōu)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制效果,本文提出一種性能優(yōu)越的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制方法。首先建立物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制的匯聚鏈路模型,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的路由探測(cè)機(jī)制,采集節(jié)點(diǎn)位置信息和鄰域節(jié)點(diǎn)相關(guān)信號(hào),然后引入小波分析技術(shù)提取物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的特征,并采用時(shí)間動(dòng)態(tài)匹配算法分析節(jié)點(diǎn)信號(hào)與特征之間的關(guān)系,選擇最優(yōu)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸路徑,從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)控制,最后仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)明,本文方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制功率低,獲得物聯(lián)網(wǎng)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)控制耗時(shí)少,是一種精度高、速度快的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)控制技術(shù),具有十分廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

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