王海峰張 利

(1.南通職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.西華大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，四川 成都 610039)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過程的依據(jù)是合理的節(jié)點(diǎn)分配[1-2]，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常情況下會決定節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的位置。合理分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以提高其在運(yùn)行過程中的連通性和可靠性，節(jié)點(diǎn)分配結(jié)果同時(shí)也決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率和壽命等指標(biāo)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配具有重要意義。

李道全等[3]在提出了基于蟻群算法、擬物力和質(zhì)心算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化策略。利用蟻群算法選取無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置后，運(yùn)用擬物力算法優(yōu)化選中的節(jié)點(diǎn)，并采用質(zhì)心算法提高節(jié)點(diǎn)定位精度，但是該方法存在節(jié)點(diǎn)能耗高、吞吐量低的問題。Karimi-Bidhendi S等[4]研究了一種異構(gòu)雙層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該異構(gòu)節(jié)點(diǎn)部署問題被建模為一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)總功耗為代價(jià)函數(shù)的優(yōu)化問題，解決了通信范圍受限時(shí)的傳感器部署問題，但是該方法存在節(jié)點(diǎn)能耗高、分配效率低的問題。蔣勇等[5]根據(jù)節(jié)點(diǎn)的成本屬性、服務(wù)能力和最大服務(wù)半徑構(gòu)建節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化模型，采用和聲搜索算法對模型求解，完成節(jié)點(diǎn)分配，但是該方法沒有考慮節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的間隔，存在分配效果差和分配效率低的問題。

為了解決上述問題，在考慮節(jié)點(diǎn)間距的基礎(chǔ)上，以吞吐量為前提，優(yōu)化無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分配。本文的主要研究思路為:首先確定無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)分配多個(gè)方面的約束條件，在此基礎(chǔ)上利用網(wǎng)格路由方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分配，最后通過仿真測試驗(yàn)證此次方法的有效性。

1 節(jié)點(diǎn)分配約束條件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往成百上千，并且大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)分布的，而應(yīng)用環(huán)境經(jīng)常是管理人員難以進(jìn)入的區(qū)域，因此很難預(yù)先布置好每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，這無疑加大了節(jié)點(diǎn)定位的難度。同時(shí)，為了盡可能地降低節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，本文在考慮節(jié)點(diǎn)間距的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑、節(jié)點(diǎn)通信容量、節(jié)點(diǎn)布局三個(gè)方面設(shè)定約束條件。

1.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑約束

不同類型節(jié)點(diǎn)在通信網(wǎng)絡(luò)中的通信能力是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑中的主要約束條件[6-7]，即節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的有效通信半徑。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配過程中，應(yīng)該保證任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)可以到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在傳播過程中不存在逆向傳播方向，即從無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳送路徑只存在唯一的方向，設(shè)Re＿dir＿1、Re＿dir＿2、Re＿dir＿3表示不可逆判斷因子，其計(jì)算公式如下:

式中:＜SNi，RNj＞表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SNi與網(wǎng)絡(luò)中相鄰中繼節(jié)點(diǎn)RNj的坐標(biāo)向量；＜SNi，GN＞表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SNi至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GN的坐標(biāo)向量，該向量屬于基準(zhǔn)向量，可以判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑的不可逆；＜RNi，RNj＞表示兩個(gè)任意相鄰中繼節(jié)點(diǎn)RNi、RNj之間在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑中的坐標(biāo)向量；＜RNi，GN＞表示最后一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)RNi至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GN在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑上的坐標(biāo)向量。

通過式(1)計(jì)算得到的不可逆因子Re＿dir＿1、Re＿dir＿2、Re＿dir＿3判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送路徑是否符合不可逆判斷條件，通過判斷結(jié)果可以保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配完成后，中繼節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間存在最短路徑和最少無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1.2 節(jié)點(diǎn)通信容量約束

如果節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在過重的任務(wù)，即無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸率較高，會對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的整體可靠性產(chǎn)生影響[8-9]。因此需要約束無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送率βi:

式中:αj表示起始無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸路徑中對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)信率。

確定無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分配位置時(shí)，需要考慮中繼節(jié)點(diǎn)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在的通信距離，同時(shí)需要考慮不同通信距離范圍中存在的中繼節(jié)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，獲得無線傳感網(wǎng)絡(luò)的候選通信路徑[10-11]。

設(shè)X1和X2表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SN1的兩條路徑，X3和X4表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SN2的兩條路徑，“1”表示選中某條數(shù)據(jù)傳輸路徑，“0”表示數(shù)據(jù)傳輸路徑?jīng)]有被選中。無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成布設(shè)后，節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)必然會選擇一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，因此存在式(3):

根據(jù)上述傳輸路徑中中繼節(jié)點(diǎn)RN自身的通信容量，設(shè)置約束條件如式(4):

式中:β1、β2、β3表示中繼節(jié)點(diǎn)RN1、RN2、RN3對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送率；αi表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)信率；γi表示中繼節(jié)點(diǎn)RN1、RN2、RN3對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送率最大值。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局約束

傳感器發(fā)送節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中與傳感器接收節(jié)點(diǎn)之間存在的功率關(guān)系為式(5):

式中:PR、PT分別表示節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的接收功率和發(fā)送功率；GT、GR分別表示接收天線和發(fā)射天線在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的增益；λ表示無線信號媒介對應(yīng)的波長；d表示收發(fā)節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的間距；L表示損耗因子，通常情況下不受無線傳播的影響。

設(shè)P0表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以接收并正確解碼信號的最小功率，當(dāng)節(jié)點(diǎn)功率PR＝P0時(shí)，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的最小發(fā)送功率PTm為式(6):

分析式(6)可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離與發(fā)送功率之間成正比關(guān)系。

設(shè)dis＿fac表示通信網(wǎng)絡(luò)距離因子，其表達(dá)式如式(7):

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法

考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法利用網(wǎng)格路由方法實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配。

利用網(wǎng)格路由方式劃分無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域，獲得二維網(wǎng)格。網(wǎng)格路由可以提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕苊庖蚬?jié)點(diǎn)失效和包丟失產(chǎn)生的故障問題，因此所提算法在網(wǎng)格的交叉點(diǎn)上分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.1 網(wǎng)格間距

根據(jù)網(wǎng)格間距劃分無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域。當(dāng)網(wǎng)格相鄰節(jié)點(diǎn)間距過大導(dǎo)致無法提供通信時(shí)，網(wǎng)格中的相鄰節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)包丟失。此時(shí)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信可以通過增加無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)通信，但這一過程會增加節(jié)點(diǎn)的能量消耗；當(dāng)網(wǎng)格相鄰節(jié)點(diǎn)間距過小時(shí)，會增加無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，并且所選節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也隨之增加，存在能耗較高的問題。通過上述分析可知，分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要設(shè)定合理的網(wǎng)格間距[12-13]。

考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法通過鏈路質(zhì)量指示和接收信號強(qiáng)度指示器設(shè)置網(wǎng)格間距。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離可以通過測量射頻信號的能量計(jì)算，接收功率與發(fā)射功率之間的關(guān)系如式(8):

式中:n表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳播因子；PT、PR分別表示無線信號在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)射功率和接收功率；d表示接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的距離。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，需要保障無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的通信，因此網(wǎng)格間距通常情況下需要符合下式:

式中:L、R均表示網(wǎng)格距離參數(shù)。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)

設(shè)si和s0表示網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)，其對應(yīng)的坐標(biāo)為

如果點(diǎn)si在垂直方向或水平方向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，需要布置較多的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)能耗較高，用描述點(diǎn)si和s0轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)對應(yīng)的最大跳數(shù)；當(dāng)點(diǎn)si在sis0方向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，需要較少的傳感器數(shù)量，此時(shí)能耗較低，用描述點(diǎn)s和s轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)對應(yīng)的最大i0跳數(shù)。

根據(jù)上述分析，利用式(10)設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)hop＿cpunt＿max(si，s0):

式中:d(si，s0)表示點(diǎn)si和s0之間存在的距離。

2.3 吞吐量

在分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須考慮節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸期間的吞吐量。選擇通信節(jié)點(diǎn)路徑過程中應(yīng)基于以下標(biāo)準(zhǔn):

根據(jù)上述分析，采用貪婪算法實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分配，具體過程如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配流程圖

圖1所示的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配過程為:

步驟1:初始化節(jié)點(diǎn)k＝0，并輸入節(jié)點(diǎn)位置、通信半徑和網(wǎng)格間距等基礎(chǔ)信息；

步驟2:計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)之間的距離，并按照距離降序進(jìn)行排列；

步驟3:以排列后的節(jié)點(diǎn)順序?yàn)榛A(chǔ)，構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)集合；

步驟4:使得k＝k＋1，并判斷傳感器節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)距離是否小于通信距離，如果是，結(jié)束節(jié)點(diǎn)分配，如果不是，執(zhí)行步驟5；

步驟5:在通信范圍內(nèi)搜索中繼節(jié)點(diǎn)，并選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；

步驟6:根據(jù)最近貪婪準(zhǔn)則選擇下一跳，直至達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)；

步驟7:判斷選擇的k是否等于最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量n，如果是，完成節(jié)點(diǎn)分配，如果不是，返回步驟3，重復(fù)步驟4～7，直至完成節(jié)點(diǎn)分配。

3 仿真測試與結(jié)果

為了驗(yàn)證考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法的整體有效性，需要對所提算法進(jìn)行測試。

在半徑為40 m的圓形范圍內(nèi)任意安置200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，簇節(jié)點(diǎn)處于圓形范圍的中心位置。仿真運(yùn)行過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)每隔4 s收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將檢查數(shù)據(jù)信息傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。通過對比所提算法分配前后的節(jié)點(diǎn)能耗、吞吐量以及分配效果，以及所提算法與文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的分配效率，驗(yàn)證所提算法的優(yōu)越性。仿真場景設(shè)置參數(shù)如表1所示。

3.1 節(jié)點(diǎn)能耗

采用考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法分配節(jié)點(diǎn)，對比分配前后的節(jié)點(diǎn)能耗，測試結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，采用所提算法分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，與分配前相比，節(jié)點(diǎn)能耗顯著下降，最高能耗為2.8×10-11W，表明所提算法，在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過程中，考慮了相鄰節(jié)點(diǎn)間距對能耗的影響，并將吞吐量作為傳輸前提條件，優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)的能耗。

圖2 分配前后無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗變化

3.2 吞吐量

當(dāng)吞吐量一致時(shí)，最大跳數(shù)越高，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的能力越好，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，對比節(jié)點(diǎn)分配前后傳輸數(shù)據(jù)的最大跳數(shù)，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 分配前后最大跳數(shù)測試結(jié)果

分析圖3可知，采用考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法對節(jié)點(diǎn)分配后，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳輸吞吐量一致的相同數(shù)據(jù)時(shí)，所用的最大跳數(shù)明顯減少，分配后最大跳數(shù)為2，相較于分配前降低了較高的跳數(shù)，由此可知，所提算法可用較少的節(jié)點(diǎn)傳輸相同的數(shù)據(jù)，表明用所提算法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配后，節(jié)點(diǎn)的吞吐量得以提高。

3.3 分配效果測試

采用考慮節(jié)點(diǎn)間距的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配，測試所提算法的分配效果。

圖4中的黑色方塊，表明節(jié)點(diǎn)存在重復(fù)，分析圖4(a)可知，原始無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在大量的節(jié)點(diǎn)重復(fù)，采用所提算法分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，結(jié)果如圖4(b)所示，根據(jù)圖4(b)可知，采用所提算法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中不存在重復(fù)的節(jié)點(diǎn)，表明所提算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配效果好，因?yàn)樗崴惴▽?jié)點(diǎn)分配時(shí)，考慮了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格中的間距，避免了節(jié)點(diǎn)重復(fù)問題。

圖4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配結(jié)果

3.4 分配效率

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提算法的整體有效性，將文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法與所提算法進(jìn)行對比測試，測試上述算法分配無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同算法的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間

分析圖5可知，在多次迭代中所提算法分配節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法分配節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間，最高時(shí)間為0.62 min，驗(yàn)證了所提算法具有較高的節(jié)點(diǎn)分配效率。

4 結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，其中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有采集、傳輸、處理數(shù)據(jù)的功能，然而在特殊或復(fù)雜環(huán)境下難以補(bǔ)充無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量，因此研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分配算法有利于降低節(jié)點(diǎn)能耗。目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法存在節(jié)點(diǎn)能耗高、吞吐量低、布局效果差和分配效率低的問題。為此，在考慮節(jié)點(diǎn)間距的前提下，研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配算法，通過網(wǎng)格間距、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、吞吐量、節(jié)點(diǎn)分配四方面的約束和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配，仿真結(jié)果表明，該算法可有效地解決目前算法中存在的問題，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提供了保障。