章旭偉

（金華市廣信網(wǎng)絡(luò)工程有限責(zé)任公司，浙江 金華 321000）

0 引言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)研究中，主要需要對數(shù)據(jù)融合，使移動節(jié)點的數(shù)量增加并且不斷在新的技術(shù)平臺背景中改進現(xiàn)有的路由協(xié)議這些技術(shù)進行深入探索。而目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的重難點在于延長網(wǎng)絡(luò)的工作時間，這就涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能科技的使用問題，現(xiàn)在節(jié)能技術(shù)在使用可再生能源，例如太陽能，地?zé)崮芎惋L(fēng)能，或者清潔能源，例如射頻能這方面相關(guān)研究不斷取得新的進展，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)延長工作時間提供了新思路[1-2]。經(jīng)過科學(xué)的比較和相關(guān)學(xué)者的實驗，通過射頻能量的捕獲延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時間成為解決這一問題的主要途徑。

在射頻能量捕獲應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)射頻能量發(fā)射過程中往往因為一定時間內(nèi)產(chǎn)生的射頻能量有限，而且覆蓋范圍往往十分局限，所以延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期往往成本大，而且效果與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)，而移動充電方式能夠很好地解決以上的問題，所以移動射頻能量捕獲的研究在學(xué)術(shù)界關(guān)注度比較高[3]。現(xiàn)在主要有兩種移動充電和數(shù)據(jù)收集在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的思路，首先是利用一種充電的可移動電源，例如將射頻發(fā)射源安裝在小車上對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點進行一次訪問，盡可能使一個節(jié)點的充電間隔內(nèi)消耗的電量要低于節(jié)點一次接受充電獲得的電量，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)長久的續(xù)航能力和工作時間。另外一種思路是將整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個面積相同的正方形區(qū)域，將各個頂點作為移動電源的?？康攸c，在同一時間發(fā)射的射頻能量能夠覆蓋多個節(jié)點，這種方式的好處是能夠更有效地利用已經(jīng)發(fā)射的射頻能源，但是對于移動電源的數(shù)量要求與前者相比更高。

1 總吞吐量最大化

在數(shù)據(jù)收集過程中，因為節(jié)點的數(shù)據(jù)率發(fā)送速度可能會有起伏，所以一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量往往不夠穩(wěn)定，這就為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點正常收集數(shù)據(jù)的工作造成了不穩(wěn)定因素，所以，提高單個節(jié)點的在一定時間內(nèi)的吞吐量往往技術(shù)難度高，而且資金成本大，所以在現(xiàn)實中往往不在考慮范圍內(nèi)[4]。而要想提高整個的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)收集量，提高總體的工作效率，應(yīng)該從網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量數(shù)據(jù)出發(fā)，保證總吞吐量最大化。

1.1 節(jié)點數(shù)據(jù)率不同時使總吞吐量達到最大

當(dāng)某個簇在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的過程中分配的得到的總時間一定，必須盡可能的通過調(diào)整單個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時間和充電時間使整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點接收到的總的數(shù)據(jù)量達到最大。例如，將充電時間設(shè)為T，單個節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時間分別為t（i），（i=1，2，3………n），總體目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量達到最大，分析可知，當(dāng)T數(shù)值上比較小，那么相應(yīng)的t（i）也會相應(yīng)得在數(shù)值上比較低，這樣就會造成節(jié)點在多數(shù)時間出于停滯狀態(tài)，既不發(fā)送數(shù)據(jù)也不會接收數(shù)據(jù)，造成的直接結(jié)果就是節(jié)點生命周期內(nèi)時間被浪費，降低了該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中總的吞吐量。但是同樣的，如果T在數(shù)值上表現(xiàn)得比較大，那么相應(yīng)的如果t(i)也比較大，雖然在理論上節(jié)點分配得到的時間更長，但是降低了節(jié)點實際能夠工作的時間，這樣依然對于總體吞吐量的提升沒有好處[5]。實際上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中總吞吐量和節(jié)點的數(shù)據(jù)率不同時二者出于線性函數(shù)關(guān)系，使用線性規(guī)劃中單純形法進行分析，應(yīng)該先將二者的關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃的一般問題，得到單純形表，根據(jù)實際情況確定各個問題的參數(shù)和最終單位矩陣基陣數(shù)值，解決節(jié)點的數(shù)據(jù)率不同時無限長暗器網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量最大化問題。

1.2 節(jié)點的數(shù)據(jù)率相同時使總吞吐量達到最大

節(jié)點的數(shù)據(jù)率相同時相比于第一種情況可以認(rèn)為是節(jié)點數(shù)據(jù)率不同問題的特殊化，同樣使用線性規(guī)劃的單純形法知識解決問題，在這一問題中，因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點的數(shù)據(jù)率是相同的，那么一定時間內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點不管如何工作產(chǎn)生的吞吐量是相同的，那么就需要考慮所有節(jié)點工作過程中能夠占據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時間進行數(shù)據(jù)發(fā)送的總時間，總時間越大，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量總量就會越大。

首先，現(xiàn)將每個結(jié)點的初始占據(jù)的能量值設(shè)置為a1，所以，該節(jié)點充電充滿的時間需要t=(A-a1)/P，其中，A表示節(jié)點能夠存儲的最大能量值，P表示單位時間內(nèi)充電速率，為了使整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時間達到最大，就要讓節(jié)點在工作時間內(nèi)最大效率發(fā)送數(shù)據(jù)[6]。實際上，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作中一直追求這樣一種狀態(tài)，就是充電時間和充電之后所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的總時間是相等的，這樣能夠保證各個節(jié)點能夠持續(xù)不斷地工作。這樣能夠讓時間和工作量保持在一個比較均衡的狀態(tài)，節(jié)點不會因為工作時間遠(yuǎn)低于分配時間而產(chǎn)生太久地空閑，也不會因為充電時間太久而擠占了工作時間。該方案中總吞吐量需要在累加狀態(tài)下達到最大，因為各個節(jié)點在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送率相同，所以當(dāng)單個節(jié)點的吞吐量最大化，總吞吐量能夠達到最大。

2 共同吞吐量最大化

2.1 節(jié)點數(shù)據(jù)率不同時使共同吞吐量達到最大

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動充電和數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究中，往往存在著這樣的問題，如果一味追求吞吐量最大化的結(jié)果，而不去考慮單個節(jié)點的工作時間和數(shù)據(jù)率，很容易會造成一個網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點的時間分配的不公平的現(xiàn)象。也就是說，一些節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)工作過程中會承擔(dān)大部分的數(shù)據(jù)發(fā)送和收集工作，而一些節(jié)點則長期處于閑置狀態(tài)。在一般情況下，工作時間分配比較少地節(jié)點往往遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)的中心，而且這些節(jié)點數(shù)據(jù)率低和使用頻率更低，到這些節(jié)點因為遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)中心所以分配發(fā)送數(shù)據(jù)的時間比較少甚至根本就沒有輪換到發(fā)送數(shù)據(jù)的機會[7]。為了提高本章節(jié)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的共同吞吐量，最主要的就是提高網(wǎng)絡(luò)中吞吐量比較小的節(jié)點，所以，節(jié)點的數(shù)據(jù)率不同時使整體的共同吞吐量最大化就是將一小部分吞吐量最小的節(jié)點的吞吐量提升，為了達到這一效果，可以適當(dāng)犧牲網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量。

這一問題中共同吞吐量和節(jié)點占據(jù)的時間關(guān)系也是線性函數(shù)關(guān)系，因為這一問題往往不需要特別精準(zhǔn)的數(shù)值，只需要近似值，所以一般會用到二分法解決這類線性規(guī)劃問題，首先要找到數(shù)據(jù)率最大的節(jié)點分配時間發(fā)送的數(shù)據(jù)T，計算所有結(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)時間和數(shù)據(jù)率最大的節(jié)點發(fā)送時間之間的關(guān)系，計算每個節(jié)點初始能量能夠發(fā)送數(shù)據(jù)地時間并找到最小值所需時間，該問題的時間復(fù)雜度為n?？梢钥吹皆搯栴}在解決上計算次數(shù)與數(shù)值的關(guān)系為一次關(guān)系，是數(shù)學(xué)處理中一種比較簡單的處理辦法，基于計算時間考慮，該方法在解決這一問題上比較高效[8]。

2.2 節(jié)點數(shù)據(jù)率相同時使共同吞吐量達到最大

節(jié)點數(shù)據(jù)率相同時最大化共同吞吐量是上述在節(jié)點數(shù)據(jù)率不同時的特殊情況。同樣的，能夠線性化共同吞吐量和單個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所需時間之間的關(guān)系，這樣，我們可以發(fā)現(xiàn)，相比于節(jié)點數(shù)據(jù)率不同時最大化共同吞吐量，這一問題中不需要考慮遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)中心的某些節(jié)點吞吐量比較下的情況，因為數(shù)據(jù)發(fā)送率保持一致，所以不同節(jié)點的吞吐量僅僅因為本身工作時間的長短出現(xiàn)不同。在這類問題的研究中，同樣使用線性規(guī)劃的二分法列出節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量和工作時間的關(guān)系，改變其中的充電時間的數(shù)值，求共同吞吐量最大時時間如何分配。

3 總結(jié)

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到現(xiàn)在，在節(jié)點的數(shù)據(jù)交互，中斷處理以及高效遍尋節(jié)點這些技術(shù)上都已經(jīng)比較完善，技術(shù)的成熟也為更安全，更廣泛的技術(shù)應(yīng)用提供了保障，但是目前來說，在一些需要連續(xù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供硬件支持和信息交流能力的產(chǎn)業(yè)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期能否延長，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的吞吐量能否繼續(xù)提升，是關(guān)系到日后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進一步發(fā)展的重中之重。