即時通信網絡中路由節點覆蓋控制優化方法

安華萍，李龍亮

(1.河源職業技術學院 電子與信息工程學院，廣東 河源 517000；2.華為技術有限公司，廣東 深圳 518129)

路由器屬于無線傳感器網絡中的一部分，由眾多網絡節點組成，通過這些路由節點，即可部署出一個即時通信網絡[1]，因此國內外都在積極研究路由節點.國外對路由節點研究已久，并在20世紀前就成立路由節點研究工作組，對路由節點進行研究，并將路由節點應用在軍事當中，形成路由節點數，只能給軍事指揮中心發送探測信息和數據流，不具有路由節點間的相互通信能力.此后國外愈加重視路由節點，對路由節點的功能進一步開發，提出路由項目，并在各大學成立路由研究小組，和公司一起研究開發，制定關于路由節點的重要計劃和戰略[2].與國外相比較，國內對路由節點的研究較晚，在20世紀后，才成立路由節點研究小組并資助研究人員對路由節點的研究.在隨后的幾年內，實現路由節點覆蓋檢測技術，并安裝在飛行器上，收集飛船飛行過程中的數據，研發路由的WSN節點感知模型，研究分析特定情況下的路由節點感知能力及其形成的網絡性能[3].在文獻[4]中，提出了基于三角形計算的路由節點覆蓋控制方法，這種方法在計算過程中，一旦網絡的最大感應半徑大于網絡傳輸通信半徑時，網絡的連通性難以得到保證.在文獻[5]中，提出了基于遺傳算法的路由節點覆蓋控制方法，卻未曾考慮在實際感知中網絡所感知范圍是處于不規則狀態，而這種狀態會給路由節點覆蓋質量帶來影響[4-5].因此研究即時通信網絡中路由節點覆蓋控制優化方法具有一定的現實意義.

1 研究即時通信網絡中路由節點覆蓋控制優化方法

1.1 分析路由節點信號傳播特性

路由在傳播信號過程中，所存在的障礙物可能會導致路由信號在傳播過程中產生不同程度的信號衰減，導致路由節點信號傳遞出現損耗，最終傳遞出的網絡信號出現縮短、不準確等問題，而不同的障礙物對路由節點信號所產生的信號反射、散射和衍射也存在區別[6].因此假設路由節點發射端信號，在傳遞信息過程中所發生的與距離相關的損耗稱為路徑損耗，且在接收路由信號的過程中，接收信號的一端與發射信號的一端距離越遠，所產生的路徑損耗越大，并且在這一過程中，呈現出對數衰減變化[7].所以設接收信號端與發射信號端的距離為d，路由節點成功接收到的信號功率(dBm)為P(d)，路由節點的最大傳輸距離為d0，路由信號節點在d時，信號發送功率為P0，則有：

(1)

式中，η為路由節點傳遞信號路徑損耗系數；X0為零均值的高斯分布隨機變量.根據式(1)，即可得到路由節點傳送信號的最大距離，以及在信號傳送過程中產生的損耗，從而確定路由節點的位置，將路由節點覆蓋在通信網絡中[8].

1.2 確定路由節點位置

1.2.1 部署錨節點

將即時通信網絡劃分成大小均等的區域，并在這個區域當中，設定一個通信閾值[9].與此同時，將路由節點的通信范圍限制在一定的區域內，降低路由節點的通信量，從而避免路由節點通信損耗，如圖1所示.

圖1 錨節點部署

圖1中，“o”表示錨節點，“*”表示位置節點.根據上述即時通信網絡劃分內容，將即時通信網絡看成如圖1所示的“10×10”網格，并按照圖中的虛線，將網格劃分成4個大區域，按照實線，將網格劃分成100個小區域.根據區域位置，在每個大區域內，布置一個錨節點，其他未知節點“*”是通過飛機間隔每幾秒進行空投位置節點，從而得到圖1中的錨節點部署圖，根據預設的錨節點部署圖，即可計算路由節點最優距離[10].

1.2.2 計算路由節點最優距離

將圖1中的錨節點部署圖放置在二維空間當中，采用三邊測量法，計算路由節點之間的距離[11],如圖2所示.

圖2 三邊測量計算圖

圖2中，U(x,y)表示未知節點,B1(x1,y1)、B2(x2,y2)、B3(x3,y3)表示3個錨節點，當3個錨節點B1(x1,y1)、B2(x2,y2)、B3(x3,y3)到未知節點U(x,y)的距離分別為圖2中的d1、d2、d3時，則有：

(2)

將(2)式轉換成位置矩陣，計算未知節點U(x,y)，則有：

(3)

1.3 路由節點覆蓋

1.3.1 評估路由節點覆蓋性能

在確定路由節點距離后，還需評估路由節點覆蓋性能，才可以在即時通信網絡覆蓋路由節點，從而計算路由節點的覆蓋率和覆蓋密度[13].當即時通信網絡中所布置的路由節點稀疏時，設即時通信網絡實際覆蓋總面積為B，待覆蓋總面積為C，則有：

(4)

式中，A表示路由節點覆蓋率.此時還需計算路由節點的覆蓋密度，即時通信網絡區域中的任意一點K，都能被k個路由器節點所感知，此時的k表示路由節點覆蓋度的值，且k≥1[14].當路由節點完全覆蓋即時通信網絡時，需要計算路由節點在即時網絡覆蓋中的連通性，確保路由節點之間具有通信能力.

1.3.2 計算路由節點覆蓋連通性

在路由節點全面覆蓋后，只有路由節點之間具有良好的連通性才能完成即時通信網絡所具有的基本功能[15].因此需要計算此時路由節點覆蓋后的連通性，是否符合即時通信網絡的需求.然而由文獻[16]可知，路由節點數量的增加會增加網絡的連通概率，所以，在計算路由節點覆蓋連通性之前，假設即時通信網絡初時僅有一個孤立的路由節點，當不斷增加節點通信半徑時，節點的通信鏈路數量也會隨之增加[16].基于式(4)，對路由節點覆蓋率計算式可知，當路由節點滿足其覆蓋最小節點度k時，此時路由節點會覆蓋在即時通信網絡中，形成一個k度網絡連通圖，且當移走任意一個路由k-1節點后，即時通信網絡依然會處于連通狀態，不會影響即時通信網絡信息的傳遞，此時也可將即時通信網絡稱為k度網絡連通圖[17].因此設即時通信網絡為G，最小節點度為bmin，路由所有節點為P，路由所有節點的覆蓋面積為C，則有：

P(C)=P[bmin(C)>0]，

(5)

當式(5)成立時，路由節點即可全面覆蓋在即時通信網絡中.當式(5)中的P[bmin(C)>0]具有實際意義，且無限趨近于1時，可以得到路由節點之間連通率的極限值[18].則有：

(6)

式(6)中，n為常數；p為路由所有節點中的一個，即p∈P；AP為路由節點p的有效通信面積.此時將式(5)和式(6)聯立，則有：

(7)

式(7)中，?p∈G為任意一路由節點p，均屬于即時通信網絡G.此時則有：

P(C)=P[bmin(C)>0]=(1-e-nAP/Ω)，

(8)

當式(8)成立時，得到的P(C)即是覆蓋在即時通信網絡上路由節點的有效連通率.綜上所述，即可優化路由節點覆蓋控制.

1.4 路由節點覆蓋控制優化

由圖1中給出的錨節點部署方式，將即時通信網絡中部署的路由節點構成一個S集合，且在集合S中，所有路由節點的有效覆蓋面積為E(C)，當即時通信網絡處于極端環境下，所部署的路由節點集合為空時，則有：

(9)

此時即可根據式(9)，得到即時通信網絡在部署路由節點不為空時的網絡覆蓋率，則有：

(10)

根據式(10)，可以看出在即時通信網絡中，覆蓋路由節點時，并不是所有路由節點都可以發揮出自身感知，存在路由節點覆蓋浪費現象，形成如圖3所示的即時通信網絡覆蓋圖[19].

圖3 即時通信網絡覆蓋圖

從圖3中可以看出，路由節點覆蓋在即時通信網絡中，可以將即時通信網絡分為區域Ⅰ和區域Ⅱ，即內區域和外區域兩部分.路由節點覆蓋在區域Ⅰ和區域Ⅱ上，會形成感應圓周，與圓周的邊界交點分別為A和B，D點為路由節點p到區域Ⅱ的交點，C點為路由節點p到區域Ⅱ外的一點，為此時部署路由所有節點P，且節點P的感知半徑為rs，會出現圖3所示位置，則有：

E(C)=P(ΩΙ)E(CΩΙ)+P(ΩⅡ)E(CΩⅡ)，

(11)

式(11)中，P(ΩΙ)為節點P在區域Ⅰ的概率值；P(ΩⅡ)為節點P在區域Ⅱ的概率值；E(CΩΙ) 為節點P在區域Ⅰ的覆蓋期望值；E(CΩⅡ)為節點P在區域Ⅱ的覆蓋期望值.因此可以將式(11)中的節點P分為兩種情況，分別計算節點P在區域Ⅰ和區域Ⅱ覆蓋面積，則有：

(12)

此時可根據圖3，計算路由節點p在即時通信網絡中的感知區域，則有：

(13)

此時將式(11)和式(13)，則有：

(14)

經(14)式計算，得到的E(C)即為路由節點在即時通信網絡中最優覆蓋控制區域.此時路由節點覆蓋后，控制路由節點時所需能量最少，布置的路由節點最少，且屬于路由節點最大限度的感知范圍，既保證了即時通信網絡中的即時通信能力，還降低了路由節點的控制范圍[20].

2 實驗論證分析

為了驗證此次研究的路由節點覆蓋控制方法，設置的網絡和路由節點參數如表1所示.

表1 網絡和路由節點參數

在如表1所示的參數下，將此次研究的路由節點覆蓋控制方法作為實驗A組，引言里提到的兩種路由節點覆蓋控制方法，分別作為實驗B組和實驗C組.基于路由節點覆蓋控制特點，分別從不同的網絡規模和目標區域覆蓋度環境下活躍節點數量和網絡剩余能量兩方面，分析3組檢測方法，檢測對比活躍節點數量高低和網絡剩余能量多少.為了保證實驗測試結果的可靠性和真實性，進行50次實驗，并將所得活躍節點數量和網絡剩余能量按實驗次序繪成圖表，直觀上比較不同檢測方法的差異.

2.1 第1組實驗

在如表1所示的條件下，改變網絡覆蓋度，分別使用3種方法覆蓋網絡，在路由節點覆蓋網絡后檢測路由節點中活躍節點數量，其實驗結果如圖4所示.

網絡覆蓋度/%圖4 不同網絡覆蓋度下路由節點活躍數量

從圖4中可以看出，隨著網絡覆蓋度的增加，路由節點活躍數量也在不斷增加，但是實驗A組的路由節點活躍數量，明顯高于實驗B組和實驗C組.此時將圖4中的實驗數據統計成表，進一步對比3組方法在不同網絡覆蓋度下路由節點的活躍數量，其統計結果如表2所示.

表2 數據統計表

從表2中可以看出，實驗B組在網絡覆蓋度增加后，路由節點的活躍數量，平均值和方差都低于其他兩種實驗方法，而實驗A組在同一參數下，路由節點的活躍數量，平均值和方差遠高于其他兩組實驗方法.第1組實驗結果表明，此次研究的路由節點覆蓋控制優化方法，在覆蓋網絡后路由節點的活躍度相對較高，可以及時傳送數據.

2.2 第2組實驗

為進一步驗證此次研究的路由節點覆蓋控制優化方法，在第1組實驗的基礎上，進行第2組實驗.在表1所示的參數下，將網絡的覆蓋度定為50%，對比3種方法覆蓋控制網絡后，網絡剩余能量隨時間的變化，實驗結果如圖5所示.

時間/s圖5 網絡剩余能量隨時間的變化

從圖5中可以看出，實驗B組和C組，在網絡覆蓋度為50%時，隨著運行時間的增長，運行能量減少的十分迅速，分別在4 000 s和5 000 s就用盡路由節點所有能量；而實驗A組在初始和結束時，路由節點運行能量消耗較少，在運行的過程中，一直處于勻速消耗狀態，在6 000 s運行結束時，還參與5J.由此可見，此次研究的路由節點覆蓋控制優化方法，提高了路由節點能量利用.綜合上述實驗結果可知，此次研究的路由節點覆蓋控制優化方法，增加了路由節點活躍數量，提高了路由節點的利用率.

3 結 論

綜上所述，此次研究路由節點覆蓋控制優化方法，根據路由節點的性能、信號傳播距離等，在網絡中覆蓋路由節點，主要從路由節點傳播特點、節點之間的最優距離、在網絡中的覆蓋和網絡中的覆蓋控制4方面入手.

(1)計算路由節點信號傳播距離在不同距離間產生的損耗；

(2)均勻布置錨節點，根據錨節點位置，計算路由節點位置確定路由節點距離；

(3)計算路由節點覆蓋率，確定網絡中覆蓋的路由節點具有連通性；

(4)控制網絡中覆蓋的路由節點，降低網絡運行能耗.

通過此次研究取得了理論性研究成果，但是在研究過程中，發現網絡在覆蓋路由節點時，存在節點信號衰減、磁場噪聲干擾等問題，導致路由節點在信號感知方面表現出一定程度的不確定性.因此在今后需要從路由節點動態感知、外界干擾因素、路由節點的運動方式、多維空間的路由節點覆蓋等方面，深入研究路由節點在網絡中的覆蓋方法，提高網絡的服務質量.