潘繼強,劉 杰,達列雄,黃現(xiàn)代

(陜西理工大學 數(shù)學與計算機科學學院,陜西 漢中 723000)

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks,WSN)[1-3]是一種分布式傳感網(wǎng)絡,它的末梢是可以感知監(jiān)測區(qū)域的傳感器.隨著計算機技術和微電子技術的不斷發(fā)展,有效推動了低功率多功能傳感器的快速發(fā)展,多功能傳感器也依據(jù)自身數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膬?yōu)越性被廣泛使用,已成為現(xiàn)代監(jiān)測技術的前沿技術.但異構無線傳感器網(wǎng)絡由于自身的體積問題,攜帶的電池能量有限,監(jiān)測環(huán)境復雜會使更換電池問題無法實現(xiàn).并且異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,若通信節(jié)點工作能耗較大,會直接影響網(wǎng)絡的使用壽命,影響無線傳感器網(wǎng)絡的正常運行.因此,異構無線傳感器網(wǎng)絡[4-5]的能耗優(yōu)化尤為重要.針對該問題,為減少網(wǎng)絡的碰撞概率以及網(wǎng)絡通信的荷載問題,對異構無線傳感器網(wǎng)絡實施節(jié)能分簇路由方法,就成為傳感器網(wǎng)絡技術領域亟待解決的問題.

文獻[6]首先詳細分析了異構無線傳感器網(wǎng)絡的能耗無線電一階模式,構建了異構無線傳感器網(wǎng)絡的能耗模型;在此基礎上,獲取網(wǎng)絡簇群請求節(jié)點接收信息的編碼時隙,轉發(fā)數(shù)據(jù)并令其穩(wěn)定傳輸;結合狼群算法建立網(wǎng)絡路由路徑,實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的分簇路由優(yōu)化.但由于獲取的網(wǎng)絡簇群請求節(jié)點接收信息編碼時隙與實際結果之間存在較大誤差,所以該方法在網(wǎng)絡節(jié)點路由通信時節(jié)點死亡數(shù)量較多.文獻[7]首先在簇頭選舉階段基于節(jié)點剩余能量以及節(jié)點密度信息確定簇頭權值,并以此修正簇頭閾值;再使用簇間路由算法計算簇頭與鄰居簇頭的鏈路質量,找出最佳簇頭完成簇間路徑的建立,實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的分簇路由通信.但根據(jù)節(jié)點剩余能量以及節(jié)點密度信息確定簇頭權值存在問題,所以該方法在節(jié)點通信時,節(jié)點節(jié)能程度較差,傳輸能耗輸出較大.文獻[8]首先根據(jù)粒子群優(yōu)化算法對模糊均值算法實施優(yōu)化模糊,并根據(jù)節(jié)點剩余能量更新網(wǎng)絡簇首,平衡簇內負載;再基于距離因子以及節(jié)點負載系數(shù)建立路徑評價函數(shù),使用貓群優(yōu)化算法搜索最佳路由路徑,實現(xiàn)網(wǎng)絡通信.但該方法在實際應用中未能對網(wǎng)絡節(jié)點實施分布優(yōu)化初步節(jié)省節(jié)點傳輸能耗,因此導致傳輸能耗輸出較大,通信節(jié)能效果較差.

為解決上述異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由過程中存在的問題,本文提出一種基于能量迭代模型和蜂群優(yōu)化算法的異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由算法.

1 網(wǎng)絡節(jié)點分布優(yōu)化

開展異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,需先在分簇路由通信前,分析異構無線傳感器網(wǎng)絡,構建網(wǎng)絡通信能耗模型[9],并結合差分蜂群算法及時優(yōu)化網(wǎng)絡節(jié)點分布,為后續(xù)網(wǎng)絡節(jié)點分簇路由通信做好準備.

1.1 構建異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗模型

異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗主要用于數(shù)據(jù)接收,采用分簇協(xié)議模型(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)進行網(wǎng)絡節(jié)點通信,設網(wǎng)絡中通信節(jié)點i和j位置為(xi,yi),(xj,yj),則獲取通信節(jié)點距離為

(1)

基于上述確定的通信節(jié)點距離,選取信道模型,設通信節(jié)點的接收發(fā)送能耗為A,將建立的網(wǎng)絡能耗模型表述成T,以獲取節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時距離為ζ的節(jié)點發(fā)送能耗.設節(jié)點發(fā)送接收信息時的比特數(shù)為k,節(jié)點距離為d,則節(jié)點發(fā)送能耗AT(k,d)的計算過程為

(2)

其中βf表示網(wǎng)絡自由空間信道模型的功率放大能耗,βm表示多徑衰落模型功率放大能耗,d0表示節(jié)點傳輸距離閾值.

根據(jù)上述計算結果,獲取異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點接收時的接收能耗[10]為

AR(k,d)=kA(kA+kβfβm),

(3)

其中AR(k,d)表示節(jié)點接收的能耗.

基于上述獲取的節(jié)點接收、發(fā)送能耗值,獲取通信節(jié)點簇頭能耗分布以及非簇頭能耗分布,以完成能耗模型的建立,過程為

(4)

其中Ac表示異構無線傳感器網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點的能耗分布,Af表示非簇頭節(jié)點的能耗.

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布優(yōu)化方法

基于上述建立的節(jié)點能耗模型,設網(wǎng)絡區(qū)域為p×q,區(qū)域內有N個無線傳感器節(jié)點且節(jié)點感知半徑為r,網(wǎng)絡節(jié)點集合表述成B={b1,b2,…,bN}形式,基于歐氏距離計算結果確定的節(jié)點距離[11],結合二元感知模型獲取網(wǎng)絡通信節(jié)點i與j之間的感知概率值為

(5)

其中d(bi,cj)表示節(jié)點距離,υij表示獲取的網(wǎng)絡通信節(jié)點i與j之間的感知概率值.即在當前感知范圍外,節(jié)點的感知概率恒為0,說明該節(jié)點被覆蓋的概率時間為P.因此,將網(wǎng)絡目標區(qū)域內節(jié)點集合B的區(qū)域覆蓋率設為G(B),將其作為節(jié)點集與網(wǎng)絡區(qū)域之間的面積比,以完成網(wǎng)絡通信節(jié)點分布優(yōu)化的問題描述:

(6)

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)分布優(yōu)化算法不斷調整自身位置,從而提升無線傳感器網(wǎng)絡在目標區(qū)域中的覆蓋密度.根據(jù)獲取的無線傳感器網(wǎng)絡通信節(jié)點分布優(yōu)化問題描述結果,采用差分蜂群算法對通信節(jié)點實施分布優(yōu)化處理[12],為后續(xù)通信節(jié)點分簇路由通信做好初步準備.節(jié)點分布優(yōu)化流程如下.

(7)

4) 跟隨蜂通過計算的解向量概率值進行鄰域節(jié)點搜索,獲取新的解向量,并基于貪婪算法比較節(jié)點適應度值,記錄比較結果找出全局最佳適應度解及其相關參數(shù).

5) 對上述流程迭代計算,找出無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的全局最優(yōu)解,從而完成網(wǎng)絡通信節(jié)點的分布優(yōu)化.

2 異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由算法

基于網(wǎng)絡節(jié)點分布優(yōu)化結果,制定異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇方法,使用能量迭代簇頭選舉方法[13],確定簇頭獲取簇頭半徑,完成異構無線傳感器網(wǎng)絡的通信節(jié)點節(jié)能分簇,并結合多跳的路由通信方式,在節(jié)省節(jié)點能耗的基礎上,實現(xiàn)異構無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能路由通信.

2.1 網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能分簇方法

根據(jù)上述確定的傳輸模型以及衰落模型發(fā)射最大功率能耗,獲取最優(yōu)簇頭數(shù)目的數(shù)學表達式為

(8)

其中O2表示網(wǎng)絡目標區(qū)域的節(jié)點分布優(yōu)化結果,U表示網(wǎng)絡的總節(jié)點數(shù)量,dtk表示節(jié)點至基站節(jié)點之間的距離.由于上述網(wǎng)絡路由協(xié)議不適用于基站節(jié)點,導致通信路由路徑通信能力較差,所以需要將節(jié)點剩余能量及最小平均可達能耗作為通信節(jié)點分簇目標,使用概率迭代選簇方法,完成異構無線傳感器網(wǎng)絡的通信節(jié)點節(jié)能分簇.過程中設節(jié)點的最大存儲能耗為Emax,節(jié)點的最小收斂概率為ηmin,以此獲取網(wǎng)絡節(jié)點的成簇概率值,完成節(jié)點簇頭的選取,并使用非均勻的分簇算法獲取簇頭的分簇半徑,過程如下:

(9)

其中γ表示網(wǎng)絡節(jié)點的簇頭優(yōu)化比例,Es表示節(jié)點剩余能耗,Rmax表示節(jié)點簇半徑最大值,ρ表示節(jié)點成簇概率,max(dtk)表示簇頭節(jié)點與基站節(jié)點之間的最大距離,min(dtk)表示簇頭節(jié)點與基站節(jié)點之間的最小距離,ι為控制參數(shù),Rc為網(wǎng)絡節(jié)點分簇半徑.

為有效縮減節(jié)點通信能耗,需使通信網(wǎng)絡節(jié)點簇頭分布更均勻,可利用能量迭代的簇頭選舉方法確定簇頭節(jié)點,從而有效規(guī)避簇頭節(jié)點受能耗問題的影響而過早失效的情況,同時避免出現(xiàn)能量空洞現(xiàn)象.

設節(jié)點能量迭代選舉時的因素權重為κ,網(wǎng)絡在選舉輪次中的平均消耗能量為Eg,則確定網(wǎng)絡節(jié)點的最優(yōu)簇頭為

(10)

其中Eh表示選舉過程中的節(jié)點能量消耗值,λ表示確定的節(jié)點最優(yōu)簇頭.

根據(jù)上述確定的網(wǎng)絡最優(yōu)簇頭實現(xiàn)異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的節(jié)能分簇[14].

2.2 網(wǎng)絡節(jié)點多跳路由通信

完成網(wǎng)絡節(jié)點分簇后,設定通信簇頭節(jié)點與基站之間的距離,確定節(jié)點通信時的路由等級,過程如下:

(11)

其中C(Ha)表示簇頭節(jié)點a至基站的相對距離,Rc為成簇半徑,level(Ha)表示獲取的路由等級.

基于上述計算結果可知,網(wǎng)絡進行節(jié)點路由通信時,路由等級越小表示簇頭節(jié)點與基站之間距離越短[15].基于確定的路由等級,利用簇頭節(jié)點進行簇內廣播,設廣播發(fā)送能耗為et,普通節(jié)點接收能耗為eu,以此確定數(shù)據(jù)傳輸至下一跳的所需能耗值[16],并找出其中的最低能耗傳輸路徑,過程如下:

(12)

其中ω為節(jié)點剩余能量權值,etE(Ha)為簇頭節(jié)點傳播能耗,euE(Ha)為接收能耗,μC(Ha)為傳輸數(shù)據(jù)至下一跳的節(jié)點能耗總和,θ為最低能耗傳輸路徑.

2.3 網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信流程

異構無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能分簇路由通信流程如圖1所示.

圖1 異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由流程Fig.1 Energy efficient clustering routing flowchart for heterogeneous wireless sensor networks

3 實驗結果及分析

實驗采用基于能量迭代模型和蜂群優(yōu)化的異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由算法、考慮網(wǎng)絡吞吐量的異構無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由算法[6]、無線傳感器網(wǎng)絡中一種能耗均衡的分簇路由算法[7]進行對比測試.

實驗過程中,利用MATLAB軟件虛擬建立一個異構無線傳感器網(wǎng)絡,并設網(wǎng)絡中存在2 000個節(jié)點隨機散布在500×500的二維目標范圍內.實驗環(huán)境: 節(jié)點初始能量為2 J,睡眠能耗為0,發(fā)送、接收節(jié)點損耗為45 nJ/bit,最小連通度為12 k,數(shù)據(jù)包長為510 byte,簇頭節(jié)點數(shù)量為40個.

基于上述設定的測試環(huán)境,使用上述3種方法進行網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信,從通信過程的節(jié)點死亡數(shù)量、節(jié)點傳輸過程能耗節(jié)能效果兩方面驗證不同方法的有效性.

3.1 節(jié)點死亡數(shù)量測試

分別使用本文方法、文獻[6]方法和文獻[7]方法進行傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信,測試不同方法的網(wǎng)絡節(jié)點死亡數(shù)量,測試結果如圖2所示.

圖2 不同方法網(wǎng)絡節(jié)點死亡數(shù)量測試結果Fig.2 Test results of number of network node deaths using different methods

由圖2可見,在異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通信過程中,隨著網(wǎng)絡節(jié)點接收、發(fā)送數(shù)據(jù)時間的增加,3種方法測試出的節(jié)點死亡數(shù)量呈不同程度的上升趨勢.其中: 文獻[6]方法簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為34個,普通節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為17個;文獻[7]方法簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為27個,普通節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為19個;而本文方法簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為22個,普通節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點死亡數(shù)量最多為16個.實驗結果證明本文方法節(jié)點的死亡數(shù)量低于其他兩種方法.這是因為在進行網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信前,本文方法及時對網(wǎng)絡節(jié)點進行了分布優(yōu)化處理,優(yōu)化了節(jié)點位置,初步節(jié)省了傳輸能耗,減少了節(jié)點的死亡數(shù)量.

3.2 節(jié)點傳輸能耗測試

對上述3種方法進行網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,分別對不同方法的節(jié)點傳輸能耗進行測試,測試結果如圖3所示.

圖3 不同方法的節(jié)點傳輸能耗測試結果Fig.3 Test results of node transmission energy consumption using different methods

由圖3可見,在異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,隨著網(wǎng)絡中節(jié)點接收、發(fā)送數(shù)據(jù)時間的不斷增加,3種方法測試出的節(jié)點使用能耗均呈不同狀態(tài)的上升趨勢.其中在進行異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,文獻[6]方法節(jié)點傳輸最大能耗為28 nJ/bit,文獻[7]方法節(jié)點傳輸最大能耗為37 nJ/bit,而本文方法節(jié)點傳輸最大能耗為21 nJ/bit,低于對比的兩種方法.實驗結果表明,經(jīng)本文方法進行異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信時,網(wǎng)絡使用壽命較長,網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由通信較好.

綜上所述,針對傳統(tǒng)路由通信方法中存在的問題,本文提出了一種基于能量迭代模型和蜂群優(yōu)化的異構無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能分簇路由算法.該方法先對網(wǎng)絡節(jié)點進行分布優(yōu)化,再在此基礎上利用能量迭代算法選取最佳簇頭完成分簇處理,并結合多跳路由算法實現(xiàn)對異構無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能分簇路由通信.