范珍珍，黃小華

(江西科技學(xué)院人工智能學(xué)院，江西 南昌 330098)

當(dāng)前微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)使用廣泛，微機(jī)械傳感器大致分為微機(jī)械陀螺、基于MEMS 的微氣體傳感器、微機(jī)械溫度傳感器、微機(jī)械壓力傳感器、基于MEMS 的微加速度傳感器、基于MEMS 的微流量傳感器和其他微機(jī)械傳感器。通過微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)采集和探索數(shù)據(jù)信息，信息的采集能力得到了顯著提升[1]，但是由于微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存在重疊節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)繁雜且調(diào)度難度大，導(dǎo)致在節(jié)點(diǎn)調(diào)度過程中出現(xiàn)能耗開銷大的問題[2]，因此為了減少微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)耗能多的問題，需要對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度方法做出研究。

秦寧寧等[3]提出一種隨機(jī)異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗控制算法。在網(wǎng)絡(luò)原型拓?fù)涞闹С窒聵?gòu)建Delaunary 三角剖分，規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，利用重疊區(qū)域約束節(jié)點(diǎn)調(diào)度半徑，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度。但該方法調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)壽命存有誤差，影響了無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。李偉等[4]提出基于數(shù)據(jù)相似度的節(jié)點(diǎn)能耗控制策略，構(gòu)建重疊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)模糊等價(jià)矩陣，通過聚類分析得到冗余節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步篩選出重疊區(qū)域的休眠節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行休眠調(diào)度。該方法獲取的調(diào)度節(jié)點(diǎn)能量不夠理想，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗控制效果較差。Shah 等[5]提出低能耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層聚類與節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制方法，基于距離的動(dòng)態(tài)占空比分配(Distance Based Dynamic Duty Cycle Assignment，DBDDCA)算法實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度。該方法能夠提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命，但節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗量仍較大。

為了解決上述方法中存在的問題，提出微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度方法。構(gòu)建微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型，通過解耦控制方法對區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)重疊節(jié)點(diǎn)的均衡部署；在此基礎(chǔ)上通過組合加權(quán)分簇對區(qū)域重疊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗控制，劃分簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)布局重疊的區(qū)域，采用分簇方法解決簇內(nèi)與簇間能耗的差異性，使得重疊的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量均衡分布，利用加權(quán)項(xiàng)的最小節(jié)點(diǎn)作為簇首，通過新一輪分簇實(shí)現(xiàn)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度，能夠有效提升節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間、降低簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度。

1 微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型及優(yōu)化部署

1.1 微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型

對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均衡部署，構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)部署模型如圖1 所示。

圖1 微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署模型

如圖1 所示，利用有向圖模型設(shè)計(jì)微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署模型，模型中A、B、C、D、E、X、Y、Z、U、V 表示不同的微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。模型(a)代表多節(jié)點(diǎn)狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)概率分布情況，模型(b)代表少節(jié)點(diǎn)狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)概率分布情況。

利用有向圖模型方法對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行均衡控制，這時(shí)的目標(biāo)函數(shù)定義如下:

式中:Ts為目標(biāo)函數(shù)，T為時(shí)刻，tnow為當(dāng)前時(shí)刻，Tdelay為時(shí)間延遲，i為節(jié)點(diǎn)，Tp為能耗控制耗時(shí)，λ為系數(shù)，范圍為[0，1]，W為均衡函數(shù)，W2i及W2i＋1分別表示2i、2i＋1 時(shí)刻的微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗函數(shù)，data 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)。

空間坐標(biāo)系(xs，ys)中，將G＝(V，E)二元有向圖標(biāo)記為微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)，利用能量均衡調(diào)度模型對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均衡調(diào)度，從中獲取均衡信道模型，定義如下:

式中:Si、Si－1分別為i時(shí)刻、i－1 時(shí)刻的能耗調(diào)度耗時(shí)，d為距離，E為路由，l為最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)，N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)量。

微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率較穩(wěn)定時(shí)，它的最小能量損失范圍定義如下:

式中:hi，hj分別代表能量損失范圍及優(yōu)先級控制級別，M為損失范圍，N為優(yōu)先級控制，Rc標(biāo)記為指定范圍。根據(jù)上式，從中獲取到微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)功率開銷P(t)。

當(dāng)發(fā)射功率為最優(yōu)時(shí)，獲取的節(jié)點(diǎn)低能耗控制集為(xp，yp)，采用基于模糊信息優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了在低功耗條件下任意點(diǎn)P的調(diào)度與平衡。

1.2 區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署

在部署微型機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域交疊節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須結(jié)合解耦控制技術(shù)對其進(jìn)行控制[6]，建立了傳輸鏈路平衡調(diào)度模型，利用空間均衡聚類分析法[7]調(diào)整節(jié)點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性，在部署過程中，其迭代方式如下:

式中:F為迭代式，mj、Dj為懲罰項(xiàng)，Li為空間部署時(shí)間帶寬，j為聚類分析的迭代次數(shù)。

當(dāng)?shù)蟮墓?jié)點(diǎn)調(diào)度能耗小于其最小能量損失范圍的最大值時(shí)，即可停止迭代，根據(jù)多模分組交換控制方法，就可以按照節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗與最小能量損失范圍的分布情況完成對無線傳感區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)的均衡配置。

2 微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度

通過以上對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化及部署，采用基于組合加權(quán)分簇[8]方法對區(qū)域重疊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗優(yōu)化調(diào)度，具體流程共有四個(gè)步驟，分別是:分簇、分組、深度調(diào)度、優(yōu)化循環(huán)等。

在微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)中，將重疊的鄰居節(jié)點(diǎn)作為簇，最大ID 就是簇首節(jié)點(diǎn)；對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)布局重疊的區(qū)域進(jìn)行劃分，并對其進(jìn)行深度調(diào)節(jié)；深度調(diào)節(jié)后需要對部署完成的節(jié)點(diǎn)重疊部分實(shí)行優(yōu)化，此時(shí)設(shè)置節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)由(xi，yi，hi)來標(biāo)記，它的ID 由i來描述，屬于簇C內(nèi)部的G(n)組。

對簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)選取期間，節(jié)點(diǎn)能耗會(huì)產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象，這時(shí)重疊區(qū)域節(jié)點(diǎn)調(diào)度會(huì)導(dǎo)致微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間降低。為了解決這種情況，采用分簇方法解決區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)與簇間能耗的差異性。

首先，對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸送一個(gè)具有節(jié)點(diǎn)能耗差異性的參數(shù)S.Ecita，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)i定義如下:

式中:S.E(i)為節(jié)點(diǎn)能量值，S.Eever(i)為平均能量值，S.Ecita(i)標(biāo)記為最小節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)i的所屬簇內(nèi)具有M個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么S.Eever(i)表示為:

式中:節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i屬于同一個(gè)簇內(nèi)。

為了解決區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間問題，首先將最小簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)S.Ecita作為簇首節(jié)點(diǎn)C.head，其次拉進(jìn)節(jié)點(diǎn)可用能耗與最大能耗之間的距離，并對網(wǎng)絡(luò)能量能耗進(jìn)行均衡，從而達(dá)到區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間短、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間多的目的[9]。并平衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)長時(shí)間工作及生存。

首先要確立與簇內(nèi)距離相近的節(jié)點(diǎn)，并對它的平均距離dis(i，C)進(jìn)行選取，用作簇首。平均距離dis(i，C)可以通過下式表達(dá):

式中:(xi－xj)和(yi－yj)分別為在同一簇內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，sqrt 標(biāo)記為剩余簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。

對dis(i，C)中的最小節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取，將選取結(jié)果中的最小節(jié)點(diǎn)用作簇首，以此減小了簇內(nèi)信息發(fā)送與接收之間的傳播距離，通過式(8)計(jì)算區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)的距離，降低簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗[10]。

為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度，首先以減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量為原則，選擇節(jié)點(diǎn)連通性的最大值作為簇頭，其余與簇首節(jié)點(diǎn)連接的節(jié)點(diǎn)也會(huì)被輸送到該簇最大值中，降低簇?cái)?shù)的同時(shí)也減少了節(jié)點(diǎn)通信轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)[11]。

根據(jù)上述兩點(diǎn)分析，將區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)能耗差異S.Ecita、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均距離dis(i，C)和節(jié)點(diǎn)度數(shù)d相結(jié)合，組成加權(quán)項(xiàng)δsum，節(jié)點(diǎn)簇首的選取主要根據(jù)加權(quán)項(xiàng)數(shù)值的大小來決定。設(shè)置微機(jī)械傳感器節(jié)點(diǎn)由i來表示，那么三個(gè)參數(shù)的加權(quán)系數(shù)就由a，b，c來標(biāo)記。由下述方程對該節(jié)點(diǎn)的加權(quán)項(xiàng)進(jìn)行獲取，定義如下:δsum(i)＝aS.Ecita(i)＋bdis(i，C)＋c/d(i)。其中，0≤a，b，c≤1，同時(shí)a＋b＋c＝1。依據(jù)權(quán)重的大小值對權(quán)重值進(jìn)行與其對應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置完成后從中取得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的加權(quán)值δsum。

上述權(quán)重項(xiàng)在不同環(huán)境中起到的作用也大不相同，因此會(huì)根據(jù)它們的作用重要程度對其進(jìn)行設(shè)定，取得不同情況下區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)的加權(quán)值[12]。這時(shí)的簇首節(jié)點(diǎn)可以用在任意網(wǎng)絡(luò)中。若將b＝c＝0，a＝1 標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)組合加權(quán)項(xiàng)，而a＝c＝0，b＝1 為只對節(jié)點(diǎn)和鄰節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行考慮的影響因素下取得的加權(quán)值。那么此時(shí)的剩余節(jié)點(diǎn)能量取值為:a＝0.7，b＝0.15，c＝0.15。將加權(quán)項(xiàng)δsum的最小節(jié)點(diǎn)用作簇首，這時(shí)該簇首可用能量為最大值，通過新一輪的分簇實(shí)現(xiàn)重疊節(jié)點(diǎn)的剔除，同時(shí)與鄰節(jié)點(diǎn)距離最近、連通度最高，降低了節(jié)點(diǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)基于組合加權(quán)分簇的微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)能耗控制。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度方法的整體有效性，需要對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度性能進(jìn)行測試。

采用微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度方法(本文方法)、基于數(shù)據(jù)相似度的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層聚類與節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制方法(Data Similarity Method，DSM)[4]和低能耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層聚類與節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制方法(Hierarchical Clustering Method，HCM)[5]進(jìn)行有效測試。仿真選擇MATLAB 為仿真平臺(tái)，選擇微機(jī)械壓力傳感器為實(shí)驗(yàn)對象，在200 m×200 m 范圍內(nèi)，隨機(jī)布置200～500 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量為0.5 J。利用本文算法對隨機(jī)生成的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合加權(quán)值劃分，采用加權(quán)項(xiàng)的最小節(jié)點(diǎn)為簇首，完成微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度。

3.1 節(jié)點(diǎn)控制覆蓋率

為了驗(yàn)證微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度后的覆蓋效果，利用本文方法、DSM 方法和HCM 方法分別對調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)控制覆蓋率進(jìn)行對比測試，節(jié)點(diǎn)控制覆蓋率是指有效節(jié)點(diǎn)的覆蓋占比。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 000 個(gè)，共進(jìn)行5 次測試，具體測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)控制覆蓋率對比測試

根據(jù)圖2 中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐次增多時(shí)，三種方法的控制覆蓋率都呈現(xiàn)出下降趨勢，從整體來看，本文方法的節(jié)點(diǎn)控制覆蓋率平均在85%～90%之間，要高于DSM 方法和HCM 方法。上述仿真結(jié)果表明經(jīng)本文方法調(diào)度后節(jié)點(diǎn)的覆蓋效果較好，即本文方法對重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度的準(zhǔn)確性較好。

3.2 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間測試

在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用本文方法、DSM方法和HCM 方法分別對網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間進(jìn)行測試，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間越長，說明經(jīng)過區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度后節(jié)點(diǎn)的工作效率越高；網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間越低，說明節(jié)點(diǎn)工作效率越差，測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間測試

分析圖3 中的數(shù)據(jù)可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷提升，本文方法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間在50 min～55 min之間，要高于DSM 方法和HCM 方法，可見本文方法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間高，節(jié)點(diǎn)工作效率強(qiáng)。綜上所述，本文方法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間最高，這是因?yàn)楸疚姆椒ɡ镁W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和部署，對區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了均衡控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)均衡調(diào)度，進(jìn)而提升了節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)工作效率。

3.3 能耗測試

分別對調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩次拋灑、一次拋灑和均勻拋灑，利用本文方法、DSM 方法和HCM 方法對三次拋灑的能耗情況進(jìn)行對比測試，能耗越低，說明微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度效果越好。

均勻拋灑即節(jié)點(diǎn)既發(fā)送數(shù)據(jù)又接收數(shù)據(jù)。一次拋灑即節(jié)點(diǎn)只發(fā)送數(shù)據(jù)而不接收數(shù)據(jù)。兩次拋灑相比均勻拋灑額外增加的節(jié)點(diǎn)不具備傳感功能，僅作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)圖4 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著測試時(shí)間逐漸增加，本文方法的能耗始終保持最低，在測試時(shí)間為12 s 時(shí)，節(jié)點(diǎn)兩次拋灑、一次拋灑、和均勻拋灑情況下區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗分別為13 μJ、15 μJ 及14 μJ。本文方法利用解耦控制技術(shù)對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡化，以權(quán)重最小的結(jié)點(diǎn)作為簇頭，減少了節(jié)點(diǎn)集中的收發(fā)信息傳輸距離。由此可見本文方法對區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度效果更好，微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度效果更佳。

圖4 三種節(jié)點(diǎn)拋灑情況下的能耗測試

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法存在覆蓋率低、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間短、節(jié)點(diǎn)拋灑情況下能耗較高的問題。為此本文提出微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度方法，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化部署，采用組合加權(quán)分簇方法對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度。仿真分析結(jié)果表明，該方法對微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度的準(zhǔn)確性較好，調(diào)度后節(jié)點(diǎn)覆蓋率平均在85%～90%之間、生存時(shí)間在50 min～55 min 之間，區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)調(diào)度能耗控制在0～15 μJ 之間，效果有了顯著的提升，為今后微機(jī)械傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重疊節(jié)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度提供了一定的理論支持。