無線傳感器網(wǎng)絡聯(lián)盟初始結構生成研究

賈海云

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡是一種智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，其由大量具有數(shù)據(jù)處理和通信能力的傳感器節(jié)點組成，目的是對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息實時感知、采集和處理。傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)有效可靠地傳輸建立在良好的網(wǎng)絡拓撲結構基礎上。該文采用粒子群算法以動態(tài)聯(lián)盟機制為通信機制，生成的網(wǎng)絡拓撲結構更有效地節(jié)約了節(jié)點間數(shù)據(jù)通信的能耗，做到了網(wǎng)絡負載的均衡，從而提高了網(wǎng)絡的存活時間。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；網(wǎng)絡拓撲結構；粒子群算法；網(wǎng)絡負載的均衡；存活時間

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0033-02

1 無線傳感器網(wǎng)絡研究背景

無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks， WSN） 是由大量價格低廉隨機分布的微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)處理能力、通信能力與計算能力，它們組織在一起形成一個智能化自組織的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，該網(wǎng)絡主要功能是感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中被感知對象的信息，并將相關信息傳輸給監(jiān)測者。

隨著信息科學技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡作為新一代網(wǎng)絡的重要組成部分，引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的極大關注，并在各領域中發(fā)揮巨大的作用，如醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事監(jiān)測、工業(yè)自動化控制、環(huán)境污染監(jiān)測、智能家居、制造業(yè)和航空交通控制等領域。目前，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)成為國內(nèi)外各界最新研究的熱點，涉及諸多高端的科學理論和先進技術，具有非常廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?，將會給人們生活生產(chǎn)等各個領域帶來深遠影響。

然而，無線傳感網(wǎng)絡要全面發(fā)揮應用價值有許多問題需要解決，例如：網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點間通信、運行成本、能量供給、網(wǎng)絡拓撲結構、安全可靠性等問題。其中，能量供給是首先要解決的問題，傳感器節(jié)點采用干電池供電，電量耗盡會使網(wǎng)絡節(jié)點失效或死亡。目前，雖然可以使用環(huán)境能量采集技術給電池充電，但是成本高，普及率低。因此，在保證系統(tǒng)性能需求的基礎上，本文主要工作是研究WSN網(wǎng)絡拓撲結構的初始生成，良好的拓撲結構的生成有利于減小網(wǎng)絡節(jié)點的能量損耗，均衡網(wǎng)絡的能耗，提高節(jié)點的存活時間。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的結構與特點

2.1 無線傳感器的結構

廉價微型的傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成單元。無線傳感器網(wǎng)絡通常包括匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點和管理節(jié)點，節(jié)點間的工作過程是傳感器節(jié)點探測采集數(shù)據(jù)信息，將感知的信息初步處理后，以多條中繼的方式處理和融合，再將信息以協(xié)作的方式傳遞給匯聚節(jié)點，再將最終信息傳遞給基站；接著基站以有線或無線鏈路將信息傳送給用戶。

無線傳感器節(jié)點一般布置在環(huán)境惡劣的區(qū)域，采用電池供電，為了更好地利用電源的能量，科研工作者在硬件設計方面引入太陽能充電模塊；軟件方面從網(wǎng)絡的拓撲結構、數(shù)據(jù)通信協(xié)議等方面考慮提高電池的利用率。本文從網(wǎng)絡拓撲結構方面出發(fā)，采用離散粒子群算法生成網(wǎng)絡的初始結構，降低網(wǎng)絡節(jié)點的能量損耗，做到網(wǎng)絡負載的均衡，提高網(wǎng)絡的存活時間。

2.2 網(wǎng)絡節(jié)點間的通信

本文采用聯(lián)盟機制作為網(wǎng)絡的通信機制，如圖1所示能量模型建立聯(lián)盟結構數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A上，黑點表示聯(lián)盟頭，白點表示聯(lián)盟成員，BS表示基站。圖a中聯(lián)盟頭接收聯(lián)盟成員感知采集到的信息，圖b中聯(lián)盟頭將融合后的數(shù)據(jù)反饋給聯(lián)盟成員，圖d中聯(lián)盟內(nèi)所有成員節(jié)點以協(xié)作方式共同將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，圖c為基站把接收到信息處理后再廣播給節(jié)點。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，產(chǎn)生的能耗主要表現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)的能耗、聯(lián)盟頭向成員節(jié)點反饋數(shù)據(jù)的能耗和向基站傳輸數(shù)據(jù)的能耗這3個方面，其中聯(lián)盟內(nèi)數(shù)據(jù)廣播的能耗占主要地位。

2.3 網(wǎng)絡拓撲結構生成

初始聯(lián)盟結構的生成對整個網(wǎng)絡的性能好壞起著非常重要的作用，聯(lián)盟結構的優(yōu)點體現(xiàn)在該通信機制下節(jié)點以協(xié)同方式進行數(shù)據(jù)傳送，有效地降低了網(wǎng)絡的能耗，并且做到了網(wǎng)絡中節(jié)點能量分布的均勻性。網(wǎng)絡中的節(jié)點布置完成后，主要的問題就是確定各節(jié)點的歸屬。

因此，本文應用聯(lián)盟的能耗模型，對網(wǎng)絡拓撲結構的初始化進行研究，采用粒子群優(yōu)化算法找到最優(yōu)的聯(lián)盟結構。粒子群算法是從鳥群隨機覓食的過程中受到啟發(fā)，主要用于解決問題的優(yōu)化算法。假設某個種群有n個粒子，把n個粒子分成若干子種群，這些粒子隨機分布，每個粒子都由適應度函數(shù)確定適應度值，適應度值大的粒子可以進行迭代，經(jīng)過算法快速的收斂，可尋得問題的最優(yōu)解。

粒子群算法用于網(wǎng)絡拓撲結構的生成時，將網(wǎng)絡中節(jié)點比作粒子，對所有節(jié)點進行編號，適應度值大的參與迭代運算，在迭代過程中每個節(jié)點可能被劃分到其他聯(lián)盟結構中，形成新的聯(lián)盟結構。當節(jié)點劃分完畢后確立聯(lián)盟頭，算法生成最優(yōu)的網(wǎng)絡拓撲結構。

WSN中基于粒子群算法的網(wǎng)絡拓撲結構生成的程序設計思想如下：

1）節(jié)點隨機初始化。節(jié)點數(shù)目為100，聯(lián)盟結構取6個，每個節(jié)點的能量為3焦耳，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葹?Mbit/s；

2）對節(jié)點進行劃分，分成若干個子種群，按照步驟3到6進行迭代；

3）計算各粒子的適應度值，保存適應度函數(shù)的最大值；

4）迭代進化。當?shù)螖?shù)m=1，所有節(jié)點全部更新，比較適應度函數(shù)值，始終保持適應度值大的粒子參與迭代。

5）判斷。如果迭代次數(shù)小于設定值，則繼續(xù)進行步驟4，否則，進入步驟6；

6）輸出滿足條件的編碼數(shù)組；

7）比較各種群的編碼組合，選出整個迭代過程的最優(yōu)解。

3 實驗結果分析

本文的實驗結果是在Matlab平臺上仿真分析的，將粒子群算法生成的最優(yōu)聯(lián)盟結構和最短距離法生成的聯(lián)盟結構做比較。當聯(lián)盟頭為6個時，網(wǎng)絡的拓撲結構如圖2所示，左圖為粒子群優(yōu)化算法生成的初始拓撲結構，右圖為最短距離法生成的拓撲結構，形狀相同的節(jié)點歸屬于同一個聯(lián)盟?？紤]到能耗的均衡，離基站遠的聯(lián)盟信道衰減小，形成的聯(lián)盟的規(guī)模應該大。對比兩圖，可以看出左圖的聯(lián)盟規(guī)模離基站越近規(guī)模越小，離基站越遠聯(lián)盟的規(guī)模越大，這種結構有利于網(wǎng)絡節(jié)點能耗的均衡，有利于提高網(wǎng)絡的存活時間。

網(wǎng)絡節(jié)點的存活個數(shù)比較，將基于粒子群算法生成的網(wǎng)絡拓撲結構與最短距離法生成的拓撲結構做對比，從表1可以看出隨著網(wǎng)絡通信次數(shù)的增加，粒子群生成的網(wǎng)絡拓撲結構充分考慮了聯(lián)盟通信的總能耗和能耗均方差，在通信次數(shù)達到1000次才出現(xiàn)死亡，有效地提高了節(jié)點的存活時間；而最短距離法中的網(wǎng)絡節(jié)點隨著通信次數(shù)的增加逐步地死亡。

綜上所述，網(wǎng)絡拓撲結構初始生成的好壞直接影響到節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?，本文采用的粒子群算法?yōu)于最短距離法，仿真實驗也進一步說明了粒子群算法在聯(lián)盟初始結構生成上的優(yōu)越性。

4 總結

無線傳感器網(wǎng)絡作為十大新興技術之一，有著巨大的應用價值，在各領域中正發(fā)揮著舉足輕重的作用，網(wǎng)絡拓撲結構作為無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一需更深入地探索研究。本文采用聯(lián)盟機制作為網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信機制，重點研究網(wǎng)絡初始結構的生成問題，具有一定的參考價值和研究意義。

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