劉文成

摘要：在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署時(shí)，由于優(yōu)化算法的差異，使得優(yōu)化部署后網(wǎng)絡(luò)覆蓋率依舊較低，提出基于BBO算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署研究?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，生成線性網(wǎng)絡(luò)，采用該網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的周期性采集，尋找最佳工作節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并通過二者之間的合理分布，確定最優(yōu)節(jié)點(diǎn)傳輸距離。依托于BBO算法設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)布局方案，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同迭代次數(shù)以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目下網(wǎng)絡(luò)平均覆蓋率提升了1.20%、2.34%。

關(guān)鍵詞：BBO算法;無線傳感器;周期性采集;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);傳輸距離;部署優(yōu)化

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0051-02

作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置的基礎(chǔ)問題之一，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和連通性是優(yōu)化節(jié)點(diǎn)部署的主要目標(biāo)[1]。對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，性能的提升取決于節(jié)點(diǎn)部署的合理性，合適的優(yōu)化部署可以提升網(wǎng)絡(luò)的感知能力，促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)良好發(fā)展[2]。

文中采用BBO算法設(shè)計(jì)了新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方法。以生物地理學(xué)優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始化、遷移操作和突變操作，獲得最后部署方案。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)

1.1 建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作內(nèi)容分析后可知，通過[n]個(gè)傳感器，構(gòu)成整體傳感網(wǎng)絡(luò)[3]。并在檢測區(qū)域內(nèi)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布[4]，生成一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，采用該網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的周期性采集。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合為[S=s1，s2，…，si，…，sn]，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為[n]，其中傳感器節(jié)點(diǎn)[si]表示第[i]個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過分析可知，所有的無線傳感器節(jié)點(diǎn)都具有一些特質(zhì)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由所有節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)有的標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)在周期內(nèi)生成1 bit數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至基站[5]。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括工作節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)兩種類型。前者需要完成數(shù)據(jù)的感知和傳輸工作，后者則僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸[6]。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡現(xiàn)象后，則表示網(wǎng)絡(luò)壽命達(dá)到了盡頭。而網(wǎng)絡(luò)壽命與總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值就是網(wǎng)絡(luò)效率[7]。

伴隨著傳輸距離的變化，數(shù)據(jù)傳輸消耗能量也會(huì)產(chǎn)生變化，并且呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。假設(shè)傳輸距離為[d]，1bit數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的能耗[J]計(jì)算公式為：

[J=l×（E+εd2），d﹤d0l×（E+εd4），d﹥d0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

計(jì)算過程中，首先需要比較傳輸距離[d]與距離門限[d0]，從而確定計(jì)算方式。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收電路功耗為[E];依托于增長指數(shù)[ε]和節(jié)點(diǎn)數(shù)量[l]，利用自由空間信道模型，獲得功率放大器功耗計(jì)算結(jié)果。

1.2 描述優(yōu)化部署目標(biāo)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型可知，距離基站最遠(yuǎn)的工作節(jié)點(diǎn)[nw]的傳輸距離[di]，也就是工作節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離。而兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離表示為[d1]。工作節(jié)點(diǎn)[i]和其相鄰工作節(jié)點(diǎn)之間的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量為[m（i）]，而節(jié)點(diǎn)感知半徑為[r]。這種條件下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署的目標(biāo)表示為：

[（m（1）+1）×d1≤rm（i）×di≤2r0≤l-i=1nw（m（i）+1）di≤ri=2，3，…，nw] ? ? ? ? （2）

為了避免傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因能量空洞出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)死亡的情況，保證數(shù)據(jù)收集過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗相同能量，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命計(jì)算公式表示為：

[Elife=E0E] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中網(wǎng)絡(luò)壽命[Elife]的計(jì)算，需要計(jì)算初始功耗[E0]與發(fā)送或接收電路功耗[E]的比例。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)效率的計(jì)算公式為：

[μ=Elifei=1nw（m（i）+1）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署，實(shí)際上就是尋找最佳工作節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并通過二者之間的合理分布，確定最優(yōu)節(jié)點(diǎn)傳輸距離，保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率提升，用公式表示為：

[nw，d，nr=argmaxμ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

根據(jù)公式可知，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率[argmaxμ]提升需要確定結(jié)合工作節(jié)點(diǎn)[nw]，傳輸距離[di]和中繼節(jié)點(diǎn)[nr]共同計(jì)算。根據(jù)上述公式可以發(fā)現(xiàn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署是一個(gè)復(fù)雜的問題。

1.3 設(shè)計(jì)BBO節(jié)點(diǎn)布局算法

由于BBO算法在部署節(jié)點(diǎn)時(shí)需要采用整數(shù)編碼的形式，使得每個(gè)解都表示一個(gè)正數(shù)向量。將算法的解看作棲息地，也就相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方案[8]。而棲息地適宜性指數(shù)HIS則表示該部署方案的合理性。通過多個(gè)適應(yīng)度指數(shù)的結(jié)合分析，選擇最佳優(yōu)化部署方案。

文中利用均勻設(shè)計(jì)生成初始種群，并使得搜索范圍內(nèi)種群均勻分布，從而減少計(jì)算復(fù)雜度。種群棲息地的分量計(jì)算公式表示為：

[Hi（d）=ld+rand（0，1）×（ud-ld）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

公式中棲息地[i]的[d]維分量表示為[Hi（d）]，而適應(yīng)度函數(shù)的目標(biāo)上、下限分別表示為[ud]和[ld]。通過隨機(jī)函數(shù)[rand（）]的計(jì)算得出最終結(jié)果。

利用BBO算法設(shè)計(jì)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方案時(shí)，每個(gè)方案中節(jié)點(diǎn)都有不同的遷入率和遷出率，并且這兩個(gè)計(jì)算結(jié)果影響最終的方案選取。一個(gè)合理的優(yōu)化部署方案必然會(huì)存在較高的遷出率，以及遷入率會(huì)相對較低。則遷入率和遷出率的計(jì)算公式為：

[λ=I（1-αi/αmax）σ=Q（αi/αmax）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

公式中遷入率[λ]的計(jì)算需要以棲息地的最大遷入率[I]為基礎(chǔ)，同樣遷出率[σ]也是應(yīng)用最大遷出率[Q]獲得計(jì)算結(jié)果。其中，針對某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[α]，將節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前數(shù)量[αi]與可容納最多數(shù)量[αmax]對比計(jì)算。作為一種概率算子，突變操作會(huì)隨著先驗(yàn)物種計(jì)數(shù)概率變化，完成優(yōu)化部署方案分量的修改，從而影響方案合理性排序。

通過離散化算法，使得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，等間距水平線和豎直線呈現(xiàn)出交錯(cuò)相連狀態(tài)，并確定線與線之間的交點(diǎn)，分析其與傳感器節(jié)點(diǎn)距離。當(dāng)計(jì)算結(jié)果比節(jié)點(diǎn)的感知半徑小時(shí)，交點(diǎn)可以被檢測到。通過檢測到交點(diǎn)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，明確該優(yōu)化部署方案實(shí)施后的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，得出最佳網(wǎng)絡(luò)覆蓋率結(jié)果后，就實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

文中采用仿真軟件，模擬無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，從而觀察文中提出優(yōu)化部署方法的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)過程中，將網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模設(shè)置為1000m，并設(shè)置線性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)感知半徑為200m。收集lbit數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)傳輸距離閾值設(shè)置為87，初始化能量和功率放大所需能量分別為0.5 mw和0.0013mw。由于原傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測區(qū)域中的覆蓋程度較低，應(yīng)用文中設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署實(shí)驗(yàn)中，將工作節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為3，4，5，6，7，分析不同工作節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能差異。文中為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)效率，需要在較少的工作節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過節(jié)點(diǎn)部署優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的同步提升。采用文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)。

覆蓋率：是衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署結(jié)果的重要指標(biāo)。表述方式為工作節(jié)點(diǎn)重疊個(gè)數(shù)的覆蓋面積與總部署區(qū)域面積之間的比值，具體計(jì)算方式如下所示：

[S=LR×100%] ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

上式中，[L]表示符合測試條件的采樣點(diǎn)數(shù)量;[R]表示總采樣點(diǎn)數(shù)。

隨著節(jié)點(diǎn)部署的優(yōu)化，會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋率產(chǎn)生較大變化，針對不同迭代次數(shù)和不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況，分析三種優(yōu)化部署方法的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率性能變化。其中，迭代次數(shù)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋率影響如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋率隨著迭代次數(shù)的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，文中提出的優(yōu)化部署方法，由于節(jié)點(diǎn)受力范圍的減小，使得節(jié)點(diǎn)每一次移動(dòng)的步長較小，造成前期收斂速度慢的情況。但是從迭代次數(shù)超過40次后，此時(shí)文中設(shè)計(jì)優(yōu)化部署方法，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋率性能方面逐漸優(yōu)于文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法。不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率性能變化如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，三種優(yōu)化部署方法應(yīng)用后，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增長，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率出現(xiàn)增高狀態(tài)。其中，文中設(shè)計(jì)方法的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率最高。在同樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)目中，文中設(shè)計(jì)方法部署后網(wǎng)絡(luò)覆蓋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種方法。平均網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)到了97.52%，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的平均網(wǎng)絡(luò)覆蓋率分別為96.32%、95.18%。綜上所述，文中設(shè)計(jì)優(yōu)化部署方法將網(wǎng)絡(luò)覆蓋率提升了1.20%、2.34%。

由于相同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，文中設(shè)計(jì)方法所需的工作節(jié)點(diǎn)數(shù)相對較少，可以提升網(wǎng)絡(luò)效率，使得二者達(dá)到最佳平衡，促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

3 結(jié)束語

由于無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期直接受到網(wǎng)絡(luò)部署情況的影響。文中在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，依托于BBO算法，完成節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)，在保證網(wǎng)絡(luò)效率的前提下，完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的提升。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，文中提出的部署方法，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋率實(shí)現(xiàn)了快速提升。未來將會(huì)針對功能上的優(yōu)化，考慮網(wǎng)絡(luò)連通和覆蓋性能的結(jié)合，從而解決設(shè)計(jì)應(yīng)用中可能會(huì)面臨的各種問題。

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【通聯(lián)編輯：張薇】

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