基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化

袁可

摘要：針對傳統分層無線傳感器網絡拓撲優化方法存在生命周期短、運行質量差的問題，開展基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化方法設計研究。通過模型設計、拓撲演化和局部視圖維護機制，提出一種全新的拓撲優化方法。通過實驗證明，新的優化方法能夠有效延長分層無線傳感器的生命周期，提高網絡運行質量。

關鍵詞：鄰域信息;分層無線傳感器網絡;拓撲結構;優化方法

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0079-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

無線傳感器是網絡技術在不斷發展中衍生的產物，此方面的研究最早起源于1990年，在當時，無線傳感器作為一個全新的研究領域，一經誕生，便引起了世界各國對其的關注。在有關技術科研單位對無線傳感器的深入研究中發現，提高其網絡生命力是設計與開發無線傳感器的核心工作，而對其網絡拓撲結構進行優化，則是實現對其生命周期提升的必然條件[1]。優化網絡拓撲結構，是指根據網絡節點與相關網絡技術規定，從多個網絡節點中，選擇物理鄰近節點，并根據節點的邏輯關系，對傳感器進行合理化通信支撐。通過此種方式，可以確保無線傳感器在全局網絡聯通的條件下，節點信息通信與交互的能耗較低，從而使網絡傳輸效率提升[2]。但目前，我國仍缺少針對此方面的輸出成果，因此，本文將基于鄰域信息，提出一種針對分層無線傳感器的網絡拓撲優化方法，以期通過此種方式，使傳感器中的網絡連通性與通信能力更為顯著。

1 無線傳感器網絡的概述及特點

無線傳感器網絡的本質屬于一種分布式網絡結構，其末梢神經是可以與外界環境實現連通的傳感裝置。在WSN中，傳感器通過無線的方式實現通信，正由于其網絡結構設置相對靈活、網絡節點傳輸位置可被調整，因此此種網絡結構也屬于一種多梯度、自組織的網絡類型。

相比常規的網絡結構，無線傳感器網絡具有網絡連接方式自由、結構不確定性高、控制方式集成性低、安全性與穩定性差等特點。

2 基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化

2.1 模型設計

為了滿足本文設計需求，需要全面考慮到分層無線傳感器網絡的非均勻覆蓋率，常規情況下，其網絡節點的分布是隨機的[3]。但要實現對其的優化，還需要對其網絡節點分布密度與覆蓋目標進行均勻分配，因此本章采用構建網絡模型的方式，對其進行優化設計。

在此過程中，定義分層無線傳感器網絡的可控區域為M（二維平面），在此區域內同時隨機布設n個同質信息傳感節點，每個節點均需要被分配到代表其身份的ID編號，除ID差異，每個傳感節點無其他差異。

參照規則傳輸模型，對分層無線傳感器網絡拓撲結構模型進行設計，其中每個節點的最大傳輸半徑表示為R，且任何一個節點中的路徑長度，均可以在[0，R]之間選擇[4]。模型結構如下圖1所示。

結合圖1中內容，提取分層無線傳感器的鄰域信息拓撲結構，如下圖2。

根據鄰域信息的可達矩陣，對其進行描述。如公式（1）。

[A7=S3S5S8S3? S5? S81? ? 1? ? 00? ?0? ? 1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

公式（1）中：[A7]表示為網絡拓撲結構中7對應的鄰域信息;[S3]、[S5]、[S8]分別表示為分層無線傳感器網絡拓撲結構信息節點3、5、8。參照上述內容，完成對基于鄰域信息的網絡模型構建。

2.2 拓撲演化

在完成對模型的生成后，需要對網絡拓撲結構進行持續演化，常規情況下，結合拉普拉斯矩陣對拓撲結構的穩定性進行評價，以模擬退火算法的方式，定位最優拓撲結構。在此過程中，觀察拓撲結構性質指標的變化趨勢，并以此定位拓撲外觀的變化規律[5]。

拓撲演化的過程采用隨機重連邊法，定義每次重連邊的數量級表示為[n]，按照[1，[n]]的方式，以每次-1次冪概率分布產生重連邊的具體邊數。同時，在重連邊的過程中，需要確保在兩個節點或多個節點之間最多僅有一條連邊，以此確保整個網絡拓撲結構的連通。

2.3 局部視圖維護機制

在完成拓撲演化后，為確保分層無線傳感器網絡拓撲結構能夠得到進一步的優化，并確保修復節點移除以后，對整個無線傳感器網絡的結構不會產生影響，還需要構建局部視圖維護機制。在局部視圖維護機制當中明確最優距離，當最優距離超過其本身的1.78倍時，則認為此時無線傳感器的節點距離既能夠確保整個網絡的連通性，同時也能夠實現對網絡覆蓋區域的全覆蓋。同時，在機制當中明確規定，需要進行修復的節點相鄰區域內的所有節點都應當在其合理的作用下進行合理的位置調整，以此確保完成修補后節點移走時仍然不會存在未被覆蓋的區域，以此進一步提高分層無線傳感器網絡的覆蓋率。

3 測試實驗

3.1 網絡生命周期評價

為了方便對本文基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化的實際應用效果進行驗證，在進行性能測試前，還需要對網絡生命周期評價方式進行設計。將網絡運行看作一個數學模型，根據網絡運行條件，對其生命周期進行設定，并得出如下公式：

[expTihit=Pt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

公式（2）中，[Pt]表示為網絡生命周期定量評價結果;[t]表示為網絡運行時間間隔指標權重;[hit]表示為網絡結構中第i-1次和第i次運行狀態下的失敗率。通過計算得出的[Pt]值越高則表示網絡生命周期越長，運行質量越高，反之同理。通過上述公式，實現對網絡生命周期的定量評價。

3.2 性能測試

為進一步實現對本文提出的基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化方法的實際應用效果進行驗證，本文將上述網絡生命周期作為對比實驗的評價指標，分別利用本文提出的優化方法和傳統優化方法，針對某一分層無線傳感器網絡進行拓撲優化。在MATLAB平臺上，分別在典型場景和隨機場景當中，完成對比實驗驗證。為確保實驗結果的客觀性，兩種優化方法下分層無線傳感器網絡當中的每個節點的最大通信半徑和其初始能量值均相同，其中最大通信半徑為11.5m，初始能量值為1J。分別采集8個不同的節點，根據不同節點的特征，完成對網絡的拓撲優化，并按照上述網絡生命周期的評價方式，完成對兩種優化方法處理后，網絡的生命周期進行記錄。

3.3 實驗結果與討論

根據上述性能測試準備內容，完成測試，得到如表1所示的實驗結果。

結合網絡生命周期評價對表1中數據進行分析，通過測試得出，本文拓撲優化方法下五個不同網絡分區的P值均在9.00以上，而傳統拓撲優化方法下的P值均未超過9.00。通過實驗得出結論：本文設計的基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化方法在實際應用中能夠有效延長網絡生命周期，保證網絡的運行質量。

4 結束語

本文通過開展基于鄰域信息的分層無線傳感器網絡拓撲優化研究，提出一種全新的拓撲優化方法，并通過性能測試的方式進一步驗證了該方法的實際應用效果。后續還將針對該方法的實用性進行進一步探索，以此提高該拓撲優化方法的應用綜合性。

參考文獻：

[1] 田露，向才炳，孫劍偉，等.基于啟發式遺傳算法的時分星間網絡拓撲優化設計[J].計算機測量與控制，2020，28（12）：155-160，171.

[2] 張穎，楊廣媛.基于FW-PSO算法優化無線傳感網絡拓撲結構的方法[J].電子與信息學報，2021，43（2）：396-403.

[3] 魏連鎖，韓建，金濤，等.基于最優剛性子圖的勢博弈無線傳感器網絡拓撲優化算法[J].工程科學與技術，2021，53（2）：125-132.

[4] 朱旭彤，慈言海，王立為，等.一種復合材料飛機電氣結構網絡拓撲的設計和優化方法[J].飛機設計，2020，40（1）：44-49.

[5] 蔣航，方穎穎，周建英，等.基于網絡拓撲結構優化的電力系統網損在線綜合優化方法[J].自動化與儀器儀表，2020（11）：210-215.

【通聯編輯：張薇】