嚴江榮

（貴州師范大學國際教育學院 貴州 貴陽 550025）

0 引言

無線傳感器網絡在許多領域都有著廣泛的應用，如環(huán)境監(jiān)測、智能家居、農業(yè)等。節(jié)點作為無線傳感器網絡的基本單元，其能源利用效率和數據傳輸速度直接影響著整個網絡的性能。因此，針對無線傳感器網絡節(jié)點的研究具有重要意義［1］。無線傳感器網絡節(jié)點通常由傳感器、微控制器、無線通信模塊和電源等組成。在工作過程中，節(jié)點需要不斷進行數據采集、處理和傳輸，而這些操作都需要消耗能源。由于節(jié)點通常由電池供電，能源消耗過快會縮短節(jié)點的使用壽命，甚至導致網絡失效。此外，數據傳輸速度也是衡量節(jié)點性能的重要指標。如何平衡能源消耗和數據傳輸速度之間的關系，是無線傳感器網絡節(jié)點面臨的主要問題之一［2］。對此，本文提出一種無線傳感器網絡節(jié)點的休眠自動調度智能優(yōu)化方法，旨在提高節(jié)點的能源利用效率和數據傳輸速度。

1 建立無線傳感器網絡休眠調度機制

將無線傳感器網絡節(jié)點的休眠自動調度過程劃分為若干個周期，調度方法會在每一個周期開始階段對對應節(jié)點所處狀態(tài)進行決策。如果一個節(jié)點被安排好了，這個節(jié)點就會轉變?yōu)榛钴S狀態(tài)，其他沒有被安排的節(jié)點將會進入到休眠狀態(tài)。該機制使得工作中的傳感器節(jié)點進入睡眠模式，延長了網絡的生命周期。在此過程中，關鍵能量的有效保留是實現對其調度優(yōu)化的重點。根據上述所需，建立無線傳感器網絡休眠調度機制，在該機制中引入Ditian算法。該算法的基本思路為：在無線傳感器網絡中，任意一個節(jié)點被其相鄰節(jié)點所覆蓋的范圍取值在［0，2π］以內，則將該點定義為冗余覆蓋節(jié)點，需要將該節(jié)點的無線通信關閉，并將其從活躍狀態(tài)轉變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。在網絡當中，設置任意個傳感器節(jié)點為w，則其鄰域節(jié)點的集合可表示為：

式（1）中，N（w） 表示傳感器節(jié)點w的鄰域節(jié)點集合；d（u，w） 表示從u到w的歐氏距離（Euclidean distance）；Rs表示無線傳感器網絡的感知半徑。若任意傳感器節(jié)點w的所有鄰域節(jié)點對w的覆蓋范圍均能夠滿足在［0，2π］范圍內，則該節(jié)點稱之為冗余覆蓋節(jié)點［3］。通過上述機制的建立可以有效減少在無線傳感器網絡當中的冗余覆蓋節(jié)點，進而達到降低節(jié)點能量消耗的目的。

2 基于分簇拓撲的網絡模型與能量模型構建

在應用上述設計的無線傳感器網絡休眠調度機制進行調度時，得到的冗余節(jié)點集合相對較小，并且Ditian 算法在運算的過程中沒有考慮到節(jié)點的相互通信問題，因此針對這一問題，可在機制運行的基礎上，結合無線傳感器網絡特點和節(jié)點能量特點，進行后續(xù)的智能優(yōu)化調度。引入分簇拓撲理論，構建無線傳感器網絡模型和節(jié)點能量模型［4］。分簇拓撲是一種常見的網絡拓撲結構，它將網絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭負責與匯聚節(jié)點（通常是基站或路由器）進行通信，而簇成員負責收集和處理傳感器數據。在確定網絡拓撲結構時，需要考慮節(jié)點分布、通信范圍、能量消耗等因素。在分簇拓撲中，節(jié)點可以分為簇頭節(jié)點和簇成員節(jié)點［5］。簇頭節(jié)點負責與匯聚節(jié)點進行通信，并將簇成員節(jié)點的數據傳輸到匯聚節(jié)點。簇成員節(jié)點負責收集和處理傳感器數據，并將其傳輸給簇頭節(jié)點。假設存在一個邊長為L的二維正方形區(qū)域，將該區(qū)域定義為Ω，在Ω當中部署了N個傳感器節(jié)點，則傳感器節(jié)點的集合可表示為：

式（2）～式（3）中，Node表示傳感器節(jié)點集合。針對網絡模型中的節(jié)點可用布爾覆蓋模型結構構建，上述將節(jié)點感知的半徑設置為Rs，則可以進一步確定感知面積：以節(jié)點為中心，以Rs為半徑形成的圓，其面積為。上述論述內容為該網絡模型的一般設置。在此基礎上，除匯聚節(jié)點外，將所有節(jié)點的感知半徑均設置為Rs， 初始能量均為E0，節(jié)點通信半徑均為感知半徑的2 倍。定義在網絡模型當中，每一個節(jié)點都有唯一一個識別ID。

對于無線傳感器網絡，節(jié)點的能耗模型如圖1 所示。

圖1 無線傳感器網絡節(jié)點無線通信能量消耗模型圖

在上述模型結構中，按照節(jié)點發(fā)送和接收之間的距離，劃分自由空間和多鏈路衰減兩個能量消耗模型。當節(jié)點發(fā)送與接收之間的距離d小于設定的臨界值d0時，此時節(jié)點發(fā)送可以選擇自由空間方式（方式A）；當節(jié)點發(fā)送與接收之間的距離大于臨界值d0時，此時節(jié)點發(fā)送可以選擇多鏈路衰減方式（方式B）。對于臨界值d0的求解可結合下述公式得出：

式（4）中，εfs表示選擇方式A 需要消耗的能量；εfs表示選擇方式B 需要消耗的能量。假設節(jié)點發(fā)送與接收之間的距離為d，節(jié)點發(fā)送數據量為k位數據包，則節(jié)點能量的消耗通常包含兩個部分，分別為發(fā)送電路損耗部分和放大功率損耗部分，其表達式為：

式（5）中，ETx（k，d） 表示節(jié)點能量的消耗；ETx－e（k） 表示發(fā)送電路部分能量損耗；ETx－a表示放大功率部分能量損耗；Ee表示1 bit 數據在發(fā)送或接收過程中所消耗的能量。在計算過程中，若d小于設定的臨界值d0， 則按照公式（5）上半部分進行計算；若d大于或等于設定的臨界值d0，則按照公式（5）下半部分進行計算。

3 休眠自動調度算法計算與智能優(yōu)化

結合上述構建的網絡模型與能量面模型，對休眠自動調度算法進行計算，并結合該調度算法實現對節(jié)點休眠自動調度的智能優(yōu)化。無線傳感器網絡按照輪數實現運行，在運行時刻分為建立節(jié)點階段和節(jié)點穩(wěn)定運行階段。在第一個階段，將整個WSN 劃分為若干個簇，每個節(jié)點都以一定的概率當選為簇首，并向其他節(jié)點發(fā)出邀請，由相鄰節(jié)點根據信號強度確定最近的節(jié)點加入簇結構中，并將TMDA 時間切片中的數據分配到簇首。在此基礎上，簇內的節(jié)點進入第二個階段，而簇首等正常節(jié)點則穩(wěn)定地工作。在此基礎上，提出了一種基于聚類分析的方法。在此過程中，網絡處于睡眠狀態(tài)，不需要耗費任何能源。在這一過程中，對于簇首的選擇按照下述內容進行。

首先，節(jié)點會隨機產生一個0，1 的隨機值，如果預設的數值比這個隨機值大，那么這個節(jié)點就會被選中，成為這個簇首的節(jié)點，并向附近的其他節(jié)點進行廣播。這一過程可以用下述公式表示：

式（6）中，T（n） 表示簇首節(jié)點；p表示簇首節(jié)點占整個網絡節(jié)點的比例；n表示輪數；G表示簇首失敗節(jié)點集合。在確定簇首后，形成簇結構，對結構當中每一個節(jié)點是否為覆蓋冗余節(jié)點進行判定，并遵循上述構建的無線傳感器網絡休眠調度機制，實現對節(jié)點的休眠自動調度。

4 優(yōu)化前后調度效果分析

為驗證本文提出的休眠自動調度智能優(yōu)化方法的有效性，進行了一系列實驗。實驗中，應用本文方法對無線傳感器網絡節(jié)點進行調度，并將優(yōu)化前后的調度結果進行對比。

將Matlab 作為實驗仿真平臺，在該平臺中引入一個無線傳感器網絡，該網絡中每一個節(jié)點在100 m×100 m 的目標區(qū)域內為隨機分布。將傳感器通信半徑設置為感知半徑的2 倍。針對實驗過程中其他條件，按照表1 中內容進行設置。

表1 實驗參數設置

對優(yōu)化前后節(jié)點休眠調度的能量消耗情況進行比較，可通過記錄無線傳感器網絡中死亡節(jié)點的數量實現對能量消耗的衡量，死亡節(jié)點數越少，傳感器網絡節(jié)點的能量消耗越少，越能確保網絡的連通；死亡節(jié)點數越多，傳感器網絡節(jié)點的能量消耗越多，越無法保證網絡的連通?；诖耍瑢?yōu)化前后調度中死亡節(jié)點數量隨實驗時間的變化曲線繪制成圖2。

圖2 優(yōu)化前后休眠調度中死亡節(jié)點數量隨時間變化曲線

從圖2 中兩條曲線可以看出，隨著時間的增加，死亡節(jié)點數量也逐漸增加，但應用優(yōu)化前的調度方法無線傳感器網絡中死亡節(jié)點數量隨時間變化的曲線更陡，數量增加速度更快，而應用優(yōu)化后的調度方法死亡節(jié)點數量變化曲線明顯更加平緩，說明優(yōu)化后死亡節(jié)點數量得到有效控制，傳感器網絡節(jié)點的能量消耗得到有效降低。

在此基礎上，再對優(yōu)化前后調度方法應用下無線傳感器網絡節(jié)點數據傳輸速度進行對比。在上述設計的實驗環(huán)境中，隨機選取5 個節(jié)點作為研究對象，其編號分別為CGQ-I、CGQ-II、CGQ-III、CGQ-IV 和CGQ-V。記錄在相同的傳輸時間內每個節(jié)點傳輸的數據量，數據量越大，說明數據傳輸速度越快；反之，數據量越小，說明數據傳輸速度越慢。根據上述論述，將5 個傳感器網絡節(jié)點在應用優(yōu)化方法前后規(guī)定時間內的傳輸數據量記錄如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后節(jié)點在規(guī)定時間內的傳輸數據量對比

從表2 中記錄的數據可以直觀看出，優(yōu)化前每個節(jié)點的傳輸數據量在100 Mbits ～200 Mbits 之間，而優(yōu)化后每個節(jié)點的傳輸數據量均在300 Mbits 以上。根據上述邏輯可知，優(yōu)化后各個節(jié)點的數據傳輸速度更快。因此，綜合上述得出的結果可以證明，本文上述提出的優(yōu)化方法在實際應用中，一方面可以降低節(jié)點能量消耗，另一方面可以有效提高節(jié)點的數據傳輸速度，具備極高的應用可行性，能夠實現對節(jié)點休眠自動調度的智能優(yōu)化。

5 結語

綜上所述，本文提出一種無線傳感器網絡節(jié)點的休眠自動調度智能優(yōu)化方法，通過自動調整節(jié)點的休眠時間，實現了能源的有效利用和數據傳輸速度的提升。實驗結果表明，該方法在能源消耗和數據傳輸速度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的輪詢方法。因此，本文提出的休眠自動調度智能優(yōu)化方法具有重要的應用前景，可為無線傳感器網絡節(jié)點的性能提升提供有效支持。