無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點多目標安全優(yōu)化部署

張倩

摘要??? 目前，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點運行中，優(yōu)化部署方案中，對網(wǎng)絡節(jié)點位置移動引起節(jié)點間共享密鑰破壞安全通信鏈路等問題考慮的不夠周全。此種情況下，本文主要論述了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點多目標安全優(yōu)化部署相關(guān)問題。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器 網(wǎng)絡節(jié)點 優(yōu)化部署

1 無線傳感器網(wǎng)絡多節(jié)點目標安全優(yōu)化部署相關(guān)模型

1.1 網(wǎng)絡優(yōu)化部署模型

無線傳感器網(wǎng)絡中，假設(shè)在二維平面T區(qū)域部署中，隨機部署N個感知半徑Rs與通信半徑Rc相同的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點（下文簡稱節(jié)點）。其節(jié)點集是S={S1，S2，S3，...，SN}，在此其中，節(jié)點Si的坐標位置可表述為（x，y）。SiSi

1.2 多目標節(jié)點數(shù)學安全優(yōu)化部署模型

無線傳感器網(wǎng)絡中，可將多目標組合優(yōu)化問題視為一組參數(shù)決策變量到另一組目標的映射過程。對于多目標節(jié)點安全優(yōu)化部署問題，網(wǎng)絡安全性的提高是值得深入考量的問題，同時確保網(wǎng)絡覆蓋率得到提升。所以，應用多目標優(yōu)化策略，基于安全性與覆蓋率考慮，設(shè)計兩個目標函數(shù)。此種情況下，基于安全連通度，為多目標節(jié)點構(gòu)建數(shù)學優(yōu)化部署模型，具體如下所示：

在上述公式中，X=（xS1，yS1，xS2，yS2，...，xSN，ySN）表示2N維的決策變量，而y則表示2維目標向量;而f1（x）與f2（x）分別表示節(jié)點安全連通度與網(wǎng)絡覆蓋率等相關(guān)目標函數(shù);i∈[1，N]，j∈[1，N]，i=?j，滿足d（Si，Sj）≤Rc條件，是節(jié)點全連通約束力，其中d（Si，Sj）是節(jié)點Si與Sj間的歐氏距離;而d（Si，S'i）≤dth表示節(jié)點移動能耗約束力，d（Si，S'i）是節(jié)點優(yōu)化后及其初始位置間的距離，在此過程中，dth是節(jié)點移動最大范圍值。

1.3 多目標節(jié)點安全優(yōu)化部署約束條件

（1）節(jié)點權(quán)連通性約束。無線傳感器網(wǎng)絡運行中，多目標節(jié)點全連通性，確保了網(wǎng)絡中任意兩節(jié)點間，至少存在一條可直接或間接實現(xiàn)通信的渠道，該約束具體可用公式表示為：

（2）多目標節(jié)點移動型能耗約束。無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點能量有限，所以節(jié)點移動能耗問題是值得考慮的，合理限定節(jié)點移動最大距離。其能耗約束可用公式d（Si，S'i）≤dth進行表示。

2 無線傳感器網(wǎng)絡多目標節(jié)點優(yōu)化結(jié)果

無線傳感器網(wǎng)絡中，仿真旨在通過對比考慮覆蓋率，改善粒子群算法單目標優(yōu)化覆蓋及安全連通性，以及網(wǎng)絡覆蓋率多目標粒子群算法，對多目標粒子群算法進行優(yōu)化與改進，以此分析其覆蓋率與安全連接情況。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋率

無線傳感器網(wǎng)絡目標部署中，單目標粒子群初始部署與改進覆蓋優(yōu)化與安全連通性，還有網(wǎng)絡覆蓋率多目標粒子群算法覆蓋優(yōu)化與改進網(wǎng)絡覆蓋率仿真結(jié)果，圓代表節(jié)點通信半徑。對比節(jié)點初始部署，迭代運行200次算法后，節(jié)點分布也會更加均勻，一定程度上有效提升了網(wǎng)絡覆蓋率，網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量也得到了明顯提升，隨著算法迭代次數(shù)的不斷增加，網(wǎng)絡覆蓋率也隨之不斷增長。初始部署過程中，節(jié)點覆蓋率達到72.64%，運行200次算法后，分析單目標網(wǎng)絡覆蓋率優(yōu)化算法，就可將網(wǎng)絡覆蓋率提高到98.53%。粒子群多目標優(yōu)化算法與改進中，基于安全連通性與網(wǎng)絡覆蓋率粒子群多目標優(yōu)化算法，分別實現(xiàn)了95.94%與97.69%的網(wǎng)絡覆蓋率。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡多目標節(jié)點安全連通度

無線傳感器網(wǎng)絡部署過程中，初始部署工作中，相鄰節(jié)點之間都存在對應的共享密鑰，以此構(gòu)建安全性通信連接?；趦?yōu)化算法，節(jié)點網(wǎng)絡覆蓋率提高基礎(chǔ)上，使得共享密鑰間的安全連接遭到了一定的破壞，從而降低了節(jié)點間的安全性連通。節(jié)點初始部署與單目標粒子群改善優(yōu)化算法、多目標粒子群優(yōu)化算法與改進后，迭代200次算法后，共享密鑰節(jié)點間存在安全連接仿真結(jié)果如圖1所示。在對比圖中，連線表示節(jié)點間共享密鑰安全性連接。經(jīng)過200次算法運行后，安全連接個數(shù)會逐漸減少，同時還會降低節(jié)點間的安全連通度。在實際工作中，要根據(jù)實際情況確定共享密鑰節(jié)點安全連接個數(shù)與連通度。

2.3 收斂性算法

對算法收斂速度進行對比基礎(chǔ)上，可發(fā)現(xiàn)算法運行效率，本文改進粒子群算法與傳統(tǒng)粒子群算法有相通的迭代次數(shù)，因而節(jié)點網(wǎng)絡覆蓋率也會更高。另外，節(jié)點網(wǎng)絡覆蓋率也會在最短時間內(nèi)達到最大值。

3 結(jié)束語

綜上所述，在無線傳感器網(wǎng)絡多目標優(yōu)化部署中，基于改進多目標粒子群，本文設(shè)計了節(jié)點安全優(yōu)化部署方案，設(shè)置節(jié)點安全連通度與網(wǎng)絡覆蓋率目標函數(shù)基礎(chǔ)上，探索滿足節(jié)點權(quán)連通與節(jié)點移動能耗等約束條件的解集，為有效解決無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點安全部署問題創(chuàng)造條件。對多目標粒子群優(yōu)化算法改進過程中，采用自適應性調(diào)整慣性權(quán)重與精英檔案策略，解決節(jié)點安全部署出現(xiàn)的問題，相較之粒子群優(yōu)化算法，網(wǎng)絡覆蓋率與節(jié)點安全連通度達到最優(yōu)。

參考文獻

[1]孫子文，申棟.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點多目標安全優(yōu)化部署[J].傳感技術(shù)學報，2018，31（12）：1882-1888.

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