無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的休眠自動(dòng)調(diào)度智能優(yōu)化方法

嚴(yán)江榮

（貴州師范大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院 貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、農(nóng)業(yè)等。節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其能源利用效率和數(shù)據(jù)傳輸速度直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究具有重要意義［1］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由傳感器、微控制器、無(wú)線通信模塊和電源等組成。在工作過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)需要不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，而這些操作都需要消耗能源。由于節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，能源消耗過(guò)快會(huì)縮短節(jié)點(diǎn)的使用壽命，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效。此外，數(shù)據(jù)傳輸速度也是衡量節(jié)點(diǎn)性能的重要指標(biāo)。如何平衡能源消耗和數(shù)據(jù)傳輸速度之間的關(guān)系，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)面臨的主要問(wèn)題之一［2］。對(duì)此，本文提出一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的休眠自動(dòng)調(diào)度智能優(yōu)化方法，旨在提高節(jié)點(diǎn)的能源利用效率和數(shù)據(jù)傳輸速度。

1 建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠調(diào)度機(jī)制

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的休眠自動(dòng)調(diào)度過(guò)程劃分為若干個(gè)周期，調(diào)度方法會(huì)在每一個(gè)周期開(kāi)始階段對(duì)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)所處狀態(tài)進(jìn)行決策。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)被安排好了，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)，其他沒(méi)有被安排的節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)入到休眠狀態(tài)。該機(jī)制使得工作中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在此過(guò)程中，關(guān)鍵能量的有效保留是實(shí)現(xiàn)對(duì)其調(diào)度優(yōu)化的重點(diǎn)。根據(jù)上述所需，建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠調(diào)度機(jī)制，在該機(jī)制中引入Ditian算法。該算法的基本思路為：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)被其相鄰節(jié)點(diǎn)所覆蓋的范圍取值在［0，2π］以?xún)?nèi)，則將該點(diǎn)定義為冗余覆蓋節(jié)點(diǎn)，需要將該節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信關(guān)閉，并將其從活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，設(shè)置任意個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為w，則其鄰域節(jié)點(diǎn)的集合可表示為：

式（1）中，N（w） 表示傳感器節(jié)點(diǎn)w的鄰域節(jié)點(diǎn)集合；d（u，w） 表示從u到w的歐氏距離（Euclidean distance）；Rs表示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知半徑。若任意傳感器節(jié)點(diǎn)w的所有鄰域節(jié)點(diǎn)對(duì)w的覆蓋范圍均能夠滿足在［0，2π］范圍內(nèi)，則該節(jié)點(diǎn)稱(chēng)之為冗余覆蓋節(jié)點(diǎn)［3］。通過(guò)上述機(jī)制的建立可以有效減少在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的冗余覆蓋節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)能量消耗的目的。

2 基于分簇拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)模型與能量模型構(gòu)建

在應(yīng)用上述設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠調(diào)度機(jī)制進(jìn)行調(diào)度時(shí)，得到的冗余節(jié)點(diǎn)集合相對(duì)較小，并且Ditian 算法在運(yùn)算的過(guò)程中沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的相互通信問(wèn)題，因此針對(duì)這一問(wèn)題，可在機(jī)制運(yùn)行的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)能量特點(diǎn)，進(jìn)行后續(xù)的智能優(yōu)化調(diào)度。引入分簇拓?fù)淅碚摚瑯?gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)能量模型［4］。分簇拓?fù)涫且环N常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。簇頭負(fù)責(zé)與匯聚節(jié)點(diǎn)（通常是基站或路由器）進(jìn)行通信，而簇成員負(fù)責(zé)收集和處理傳感器數(shù)據(jù)。在確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)分布、通信范圍、能量消耗等因素。在分簇拓?fù)渲校?jié)點(diǎn)可以分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)［5］。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并將簇成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。簇成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集和處理傳感器數(shù)據(jù)，并將其傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn)。假設(shè)存在一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的二維正方形區(qū)域，將該區(qū)域定義為Ω，在Ω當(dāng)中部署了N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，則傳感器節(jié)點(diǎn)的集合可表示為：

式（2）～式（3）中，Node表示傳感器節(jié)點(diǎn)集合。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點(diǎn)可用布爾覆蓋模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建，上述將節(jié)點(diǎn)感知的半徑設(shè)置為Rs，則可以進(jìn)一步確定感知面積：以節(jié)點(diǎn)為中心，以Rs為半徑形成的圓，其面積為。上述論述內(nèi)容為該網(wǎng)絡(luò)模型的一般設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，除匯聚節(jié)點(diǎn)外，將所有節(jié)點(diǎn)的感知半徑均設(shè)置為Rs， 初始能量均為E0，節(jié)點(diǎn)通信半徑均為感知半徑的2 倍。定義在網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一一個(gè)識(shí)別ID。

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的能耗模型如圖1 所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信能量消耗模型圖

在上述模型結(jié)構(gòu)中，按照節(jié)點(diǎn)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(gè)能量消耗模型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送與接收之間的距離d小于設(shè)定的臨界值d0時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送可以選擇自由空間方式（方式A）；當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送與接收之間的距離大于臨界值d0時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送可以選擇多鏈路衰減方式（方式B）。對(duì)于臨界值d0的求解可結(jié)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(shè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送與接收之間的距離為d，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量為k位數(shù)據(jù)包，則節(jié)點(diǎn)能量的消耗通常包含兩個(gè)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(dá)式為：

式（5）中，ETx（k，d） 表示節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)在發(fā)送或接收過(guò)程中所消耗的能量。在計(jì)算過(guò)程中，若d小于設(shè)定的臨界值d0， 則按照公式（5）上半部分進(jìn)行計(jì)算；若d大于或等于設(shè)定的臨界值d0，則按照公式（5）下半部分進(jìn)行計(jì)算。

3 休眠自動(dòng)調(diào)度算法計(jì)算與智能優(yōu)化

結(jié)合上述構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型與能量面模型，對(duì)休眠自動(dòng)調(diào)度算法進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合該調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)休眠自動(dòng)調(diào)度的智能優(yōu)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)按照輪數(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，在運(yùn)行時(shí)刻分為建立節(jié)點(diǎn)階段和節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行階段。在第一個(gè)階段，將整個(gè)WSN 劃分為若干個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以一定的概率當(dāng)選為簇首，并向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出邀請(qǐng)，由相鄰節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度確定最近的節(jié)點(diǎn)加入簇結(jié)構(gòu)中，并將TMDA 時(shí)間切片中的數(shù)據(jù)分配到簇首。在此基礎(chǔ)上，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入第二個(gè)階段，而簇首等正常節(jié)點(diǎn)則穩(wěn)定地工作。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于聚類(lèi)分析的方法。在此過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)處于睡眠狀態(tài)，不需要耗費(fèi)任何能源。在這一過(guò)程中，對(duì)于簇首的選擇按照下述內(nèi)容進(jìn)行。

首先，節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)0，1 的隨機(jī)值，如果預(yù)設(shè)的數(shù)值比這個(gè)隨機(jī)值大，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)被選中，成為這個(gè)簇首的節(jié)點(diǎn)，并向附近的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播。這一過(guò)程可以用下述公式表示：

式（6）中，T（n） 表示簇首節(jié)點(diǎn)；p表示簇首節(jié)點(diǎn)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的比例；n表示輪數(shù)；G表示簇首失敗節(jié)點(diǎn)集合。在確定簇首后，形成簇結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為覆蓋冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判定，并遵循上述構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的休眠自動(dòng)調(diào)度。

4 優(yōu)化前后調(diào)度效果分析

為驗(yàn)證本文提出的休眠自動(dòng)調(diào)度智能優(yōu)化方法的有效性，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用本文方法對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，并將優(yōu)化前后的調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

將Matlab 作為實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)中引入一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在100 m×100 m 的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)為隨機(jī)分布。將傳感器通信半徑設(shè)置為感知半徑的2 倍。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其他條件，按照表1 中內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

對(duì)優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度的能量消耗情況進(jìn)行比較，可通過(guò)記錄無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)能量消耗的衡量，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗越少，越能確保網(wǎng)絡(luò)的連通；死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗越多，越無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò)的連通。基于此，將優(yōu)化前后調(diào)度中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化曲線繪制成圖2。

圖2 優(yōu)化前后休眠調(diào)度中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

從圖2 中兩條曲線可以看出，隨著時(shí)間的增加，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量也逐漸增加，但應(yīng)用優(yōu)化前的調(diào)度方法無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間變化的曲線更陡，數(shù)量增加速度更快，而應(yīng)用優(yōu)化后的調(diào)度方法死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化曲線明顯更加平緩，說(shuō)明優(yōu)化后死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量得到有效控制，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗得到有效降低。

在此基礎(chǔ)上，再對(duì)優(yōu)化前后調(diào)度方法應(yīng)用下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行對(duì)比。在上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，隨機(jī)選取5 個(gè)節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，其編號(hào)分別為CGQ-I、CGQ-II、CGQ-III、CGQ-IV 和CGQ-V。記錄在相同的傳輸時(shí)間內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)量越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸速度越快；反之，數(shù)據(jù)量越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸速度越慢。根據(jù)上述論述，將5 個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用優(yōu)化方法前后規(guī)定時(shí)間內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)量記錄如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)量對(duì)比

從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以直觀看出，優(yōu)化前每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量在100 Mbits ～200 Mbits 之間，而優(yōu)化后每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量均在300 Mbits 以上。根據(jù)上述邏輯可知，優(yōu)化后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速度更快。因此，綜合上述得出的結(jié)果可以證明，本文上述提出的優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中，一方面可以降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，另一方面可以有效提高節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速度，具備極高的應(yīng)用可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)休眠自動(dòng)調(diào)度的智能優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的休眠自動(dòng)調(diào)度智能優(yōu)化方法，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用和數(shù)據(jù)傳輸速度的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在能源消耗和數(shù)據(jù)傳輸速度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的輪詢(xún)方法。因此，本文提出的休眠自動(dòng)調(diào)度智能優(yōu)化方法具有重要的應(yīng)用前景，可為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能提升提供有效支持。