網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

張利峰

摘要：針對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)度問(wèn)題。為此提出一種自適應(yīng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的位置算法，來(lái)解決能量消耗和信息傳送阻塞的問(wèn)題。此算法的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)為：當(dāng)移動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息不會(huì)受到影響，只會(huì)出現(xiàn)一小部分網(wǎng)絡(luò)信息更新的情況；通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度方案和算法的設(shè)計(jì)和分析，取得了有效的成果。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感技術(shù)；智能目標(biāo)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)信息更新

中圖分類(lèi)號(hào)：F272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0117-02

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于識(shí)別和編碼頻率信號(hào)技術(shù)為前提的一種網(wǎng)絡(luò)信息傳送技術(shù)，其中頻率信號(hào)在變化的磁場(chǎng)或者由于電的影響引起的磁場(chǎng)之間相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和自動(dòng)接收及識(shí)別[1]。無(wú)線傳感系統(tǒng)主要由電子標(biāo)記和收發(fā)器兩部分組成，在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)收發(fā)器通常采用電池供電的方式，不斷地發(fā)出射頻磁場(chǎng)，以達(dá)到電子標(biāo)記隨時(shí)可受到能量的作用發(fā)出信息，這將導(dǎo)致系統(tǒng)收發(fā)器能量的大量消耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)識(shí)別信息是通過(guò)其內(nèi)部的許多微小的節(jié)點(diǎn)及其內(nèi)部的無(wú)線傳感器識(shí)別的一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。收發(fā)器節(jié)點(diǎn)雖然也是由電池供電，但具有高效的節(jié)能機(jī)制。

1 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法設(shè)計(jì)的原因

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量受限的問(wèn)題，通過(guò)引人能量不受限制的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)研究，進(jìn)而降低在信息識(shí)別和傳輸中的能量消耗，做到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更久地發(fā)揮其傳遞信息資源的功能。在系統(tǒng)中，距離較近的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)之間容易出現(xiàn)熱點(diǎn)作用的現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象，TRf 42， TDf 53， QVf 67等算法在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中引入了一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)來(lái)解決熱點(diǎn)作用的現(xiàn)象。這些算法達(dá)到了改變網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信息傳送方向、使得系統(tǒng)中信息資源平衡和延長(zhǎng)網(wǎng)路系統(tǒng)使用年限。但是仍有一些缺點(diǎn)，這些算法都采取隨機(jī)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的方法，并在移動(dòng)過(guò)程中有規(guī)律地發(fā)送實(shí)時(shí)位置信息，使得節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)技能節(jié)點(diǎn)的位置信息時(shí)消耗了大量的能量；在QA算法中，因?yàn)楦吣芰抗?jié)點(diǎn)的引入，使得其網(wǎng)絡(luò)成本較高，只能使用于一些特定的場(chǎng)合；MRP算法缺乏考慮最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)的因素，使得在傳遞信息過(guò)程中浪費(fèi)了許多能量[2]。WN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是用于監(jiān)測(cè)自然環(huán)境的一種技術(shù)，當(dāng)所監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)發(fā)生森林局部火災(zāi)、水質(zhì)污染等時(shí)，都會(huì)使得區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息量大幅度地增加，進(jìn)而引起區(qū)域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息傳遞阻塞的問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)只利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)算法，并對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，從而達(dá)到減少能量消耗和延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用年限。

2 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法具體設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法的網(wǎng)格設(shè)計(jì)

如果無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在檢測(cè)范圍內(nèi)。通過(guò)調(diào)度算法確定區(qū)域的最東部、最南部、東南部、西南部、最西部和最北部等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置，以從左向右的方向確定橫軸，以從下到上的方向?yàn)榭v軸，并建立平面直角坐標(biāo)系。由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型可知，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)消耗的能量作比較，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存信息的過(guò)程中，能量的消耗非常小。所以，在此只考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能節(jié)點(diǎn)的傳遞信息的能量消耗。無(wú)線傳感器節(jié)能的能量消耗主要由傳送信息資源和接收網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生的，發(fā)送信息資源數(shù)據(jù)消耗的能量，又包含發(fā)送信息數(shù)據(jù)消耗的能量以及改變功率所消耗的能量[3]。其中傳遞信息數(shù)據(jù)消耗的能量及改變功率所產(chǎn)生的耗能，可見(jiàn)公式（1）：

2.2 簇頭的選取

網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)被劃分成網(wǎng)格后，要考慮節(jié)點(diǎn)的多余能量與節(jié)點(diǎn)位置的因素，在劃分成的網(wǎng)格中選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，其中最大的網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)會(huì)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)。重心坐標(biāo)的距離a計(jì)算的方法如公式（10）： （10）

通過(guò)對(duì)計(jì)算之后的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究和比較分析，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的多余能量成正比，即某個(gè)節(jié)點(diǎn)的多余能量較多，則被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率也就越大；其與到坐標(biāo)中心的距離成反比，即到坐標(biāo)中心的距離越大，則選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率也就越大。如果a取較大值是，說(shuō)明選出的簇頭節(jié)點(diǎn)與多余能量有很大的關(guān)系，反之，則關(guān)聯(lián)性較小。選出合適的簇頭節(jié)點(diǎn)可以平衡整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所消耗的能量，在完成一輪操作之后要重新選取簇頭節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行下一輪的信息傳導(dǎo)。設(shè)信息數(shù)據(jù)傳導(dǎo)的間隔時(shí)間用t表示。t的計(jì)算公式如（11），其中v是指節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)中的速度。

2.3 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的調(diào)度過(guò)程

通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，可以完成對(duì)信息數(shù)據(jù)的傳遞，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞信息數(shù)據(jù)消耗能量的控制和在一定程度上的減少能耗。此節(jié)點(diǎn)運(yùn)用了控制消耗能量的方法，同時(shí)利用動(dòng)靜結(jié)合的方式，而且對(duì)其進(jìn)行設(shè)置功能，即為在靜止?fàn)顟B(tài)下才能發(fā)送和接收信息資源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到某一位置時(shí)，可以依據(jù)其所在的區(qū)域算出簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)多余能量Eai，其方法如公式（12）：

2.4 繼節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)位置對(duì)信息傳遞的影響

繼節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)不會(huì)受能量的限制，具有與正常節(jié)點(diǎn)一樣的傳輸信息資源的能力，而且在網(wǎng)絡(luò)信息資源中自由地移動(dòng)，從而確定自身的具體地理位置，并通過(guò)信息的傳播，使得附近的其它節(jié)點(diǎn)獲得它的位置信息[5]。如果繼節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中已經(jīng)檢測(cè)到較大網(wǎng)絡(luò)信息區(qū)域的范圍內(nèi)的坐標(biāo)，就可以通過(guò)計(jì)算公式得出此區(qū)域的最遠(yuǎn)距離。繼節(jié)點(diǎn)以圓心移動(dòng)的方式移動(dòng)，而且其半徑的長(zhǎng)度也隨著它的移動(dòng)而增大，直至轉(zhuǎn)移到此區(qū)域的邊界區(qū)，它的轉(zhuǎn)移路線為一系列的同心圓移動(dòng)路線。此外，繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的各個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，有一段時(shí)間會(huì)發(fā)生靜止，轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行信息數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信息資源。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器進(jìn)行工作時(shí)，若發(fā)現(xiàn)繼節(jié)點(diǎn)的存在并與一般節(jié)點(diǎn)重合，則把信息數(shù)據(jù)發(fā)送到繼節(jié)點(diǎn)；若沒(méi)有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)繼節(jié)點(diǎn)的存在且不發(fā)生位置的重合，則把信息數(shù)據(jù)傳遞到距離簇頭節(jié)點(diǎn)路徑最短的鄰近節(jié)點(diǎn)中。如果移動(dòng)過(guò)程中，繼節(jié)點(diǎn)移動(dòng)位置與簇頭節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)位置發(fā)生重合，則繼節(jié)點(diǎn)會(huì)代替簇頭節(jié)點(diǎn)把信息數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)中的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的算法應(yīng)用效果的分析和研究，并發(fā)現(xiàn)其在控制能耗等方面還存在一些問(wèn)題，在此提出一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)自己移動(dòng)位置來(lái)有效地減少能量的消耗的一種算法。這種算法首先計(jì)算最佳網(wǎng)格數(shù)，而后選取適當(dāng)?shù)拇仡^，降低在信息數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的能耗，并通過(guò)剩余能量計(jì)算方法，把計(jì)算結(jié)果較低的自動(dòng)排除在簇頭的選取范圍之外。除此之外還對(duì)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)及繼節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)工程進(jìn)行了分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

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