物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度方法研究

張 震，蓋昊宇

(安徽工商職業學院 信息工程學院，合肥 231131)

隨著物聯網通信技術的發展，采用物聯網構建傳感器節點分布模型，實現對目標區域的實時數據采集和檢測，在物聯網傳感器節點通信中，需要對物聯網傳感器節點進行實時任務調度，采用分布式的路由傳輸鏈路模型進行任務調度的節點優化部署，降低能量開銷，提高節點的自適應轉發能力[1]。物聯網可靠度評價的關鍵是節點的任務調度的實時性和能量開銷等，需要對物聯網的傳感器節點路由進行優化設計，當前采用剩余能量均衡方法進行物聯網傳感器節點的實時任務調度，隨著節點規模的增大，任務調度的實時性不好，而采用分層鏈路轉發協議進行傳感節點任務調度的自適應學習性能不好[2]。針對上述問題，提出一種基于最短路徑尋優和功耗均衡配置的物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度方法。首先，建立物聯網中傳感節點最短路徑尋優控制的網絡空間節點部署模型。然后，進行傳感節點的傳輸任務實時調度路由算法設計。最后，進行實驗分析，展示了本文方法在提高傳感節點傳輸任務實時調度能力方面的優越性能。

1 物聯網的最優節點分布模型及傳感節點優化定位

1.1 物聯網中的傳感器節點分布模型

圖1 物聯網傳感節點分布模型

研究物聯網中的傳感節點傳輸任務實時調度模型，需要進行物聯網傳感節點最優分布密度模型分析。用一個二元有向圖G=(V,E)表示物聯網傳感器節點分布的有向圖模型結構，其中，V是部署在空間探測區域的物聯網傳感節點頂點集；E是物聯網在傳感節點覆蓋區域G中所有邊的集合。假設M1，M2…MN為物聯網的傳感節點的有限數據集，采用歐式距離表示物聯網傳感節點之間的覆蓋半徑，得到網絡傳感節點的分布模型如圖1所示。

(1)

其中x1和x2分別表示鏈路層和傳輸層的傳輸碼元。由于節點發射功率pi*是F的極值點，由此得到物聯網傳感節點傳輸任務的輸出特征量NIntrai(n)，可以表示為：

NIntrai(n)=NIntrai(n)+1, ifj∈Ni∩tij

(2)

物聯網傳感節點能量耗散矩陣記為BN×1，計算式如下：

(3)

將物聯網傳感節點的分布式傳感矩陣SN × L與節點接收lbits數據的功率損失進行卷積處理，建立物聯網中傳感節點最短路徑尋優控制的網絡空間節點部署模型[3]，進行物聯網的全網傳輸任務關聯信息熵提取，如下：

(4)

用CIntrai(n)表示節點i在整個物聯網覆蓋區域定位的最優間隔，由此構建物聯網傳輸任務分布的信道模型，結合信道均衡配置和節點優化部署設計，進行傳輸任務的實時調度。

1.2 物聯網傳感節點優化定位

對物聯網中的每個節點都配置一個鄰居列表。設一個邊長為M的正方形為物聯網監測區域，共有N個物聯網中傳感器的路由中繼節點，節點進行任務傳輸的信道帶寬為Ts=NfTf。物聯網的相鄰節點集內的信道衰減為：

Tc=ent(Tf/Nc)，

(5)

當滿足cjTc

(6)

其中，bj為節點剩余能量，Ts為輸出節點的多徑衰減，Tf為時間閾值，Tc為網絡的負載均衡度。物聯網在節點定位過程中，采用自適應鏈路重組和輪換技術[4]，得到節點調度的時延開銷和幅值均衡配置系數分別為αl和τl，其中，l∈[0,L-1]，τ0<τ1<…τL-1，得到物聯網中傳感點調度的空間度量目標函數為：

(7)

ERx(L)=LEelect，

(8)

其中，Eelect表示節點鏈路的瞬時功耗，當物聯網的移動節點競選簇為簇頭時，置ru為0。得到輸出的總功耗為：

E=ETx(l,d(ni,nj))+ERx(l)+ETx(l,dj)=l(Eelec+εfsd2(ni,nj))+lEelec+l(Eelec+εfsdj2)

=3lEelec+lεfs(d2(ni,nj)+dj2) .

(9)

根據簇頭的Eres和它與Sink的距離，計算物聯網中傳感器節點傳輸任務調度的路由傳遞函數為：

(10)

在鏈路l兩端進行自適應加權學習，物聯網最優節點密度分布問題轉換為求ni的負載問題，由此實現物聯網傳感節點優化定位。

2 物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度優化

2.1 特征提取和路徑尋優

在建立物聯網中傳感節點最短路徑尋優控制的網絡空間節點部署模型的基礎上，進行物聯網中傳感節點傳輸任務調度優化設計[5]，提出一種基于最短路徑尋優和功耗均衡配置的物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度方法。發送節點與接收節點的傳輸距離大于或等于閾值d0時，物聯網節點通信負載模型為：

(11)

(12)

另外，ω(t)為簇內節點的學習權重，對傳感信息進行多模融合，根據物聯網傳輸任務的最短路徑計算關聯特征量，采用初始能量密度尋優控制方法，進行傳感節點傳輸任務調度，調度模型描述為：

當f(xid(t-1))-μd<-Th時：

vid(t)=wvid(t-1)+Crand(pbestid(t-1)-xid(t-1))，

(13)

當f(xid(t-1))-μd>Th時：

vid(t)=wvid(t-1)+Crand(gbestd(t-1)-xid(t-1))。

(14)

為了提高傳感節點傳輸任務調度的實時性，進行調度過程的能量均衡性控制，計算傳感器節點傳輸任務的實時能量開銷[6]，根據物聯網中傳感器的敏感參數進行網絡拓撲結構的魯棒性節點，任務調度的負載特征分布表達式為：

ERx(l)=lEelec，

(15)

其中，d為鄰居節點與接收節點的距離；Eelec為物聯網傳感節點的初始能量密度；r是物聯網當前的通信輪次。結合最短路徑尋優和全局均衡路由算法實現節點傳輸任務調度的鏈路自動轉發，得到傳輸任務調度的P列矢量：

(16)

計算物聯網簇頭節點的能量開銷，得到傳感器節點傳輸時任的實時能量開銷：

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n(1-Pd)n-1]m}。

(17)

計算傳感器節點傳輸時的實時能量開銷，結合最短路徑尋優方法進行傳輸任務的特征提取和優化分配[7]。

2.2 節點傳輸任務實時調度輸出

在全局均衡路由算法控制下構建物聯網數據轉發的信道模型，采用鏈路均衡配置方法進行節點傳輸任務的實時調度，任務調度的瞬時誤差函數為：

(18)

在每輪通信過程采用信道分配策略，以此得到最佳信道匹模型，描述如下所示：

(19)

調整均衡器的抽頭系數，進行物聯網中各個節點的路由偏移修正[8]，求解多徑干擾下物聯網傳輸鏈路稀疏表矩陣W的最優解為：

(20)

結合最短路徑尋優和全局均衡路由算法，實現節點傳輸任務調度的鏈路自動轉發和均衡設計，傳輸任務調度的鏈路自動轉發協議用下式描述為：

Dopt=λXV-1WT(WV-1WT)-1 。

(21)

節點傳輸任務調度均衡控制的遞推計算形式為：

(22)

(23)

隨著節點數量的變化，檢測出的碼元的抽頭因子為λi，采用頻域擴展方法進行信道均衡分配，得到任務調度的相關性特征分布函數為：

Svi={k(v1,1),...,k(v1,i),...,k(v1,K)},K≤M,j∈M。

(24)

在抽頭線性均衡模型下，物聯網中傳感器節點傳輸任務調度的穩態誤差滿足Tp=NpTc，ai是物聯網中傳感器節點傳輸任務輸出的調制參數，ε是調制時間偏移常量。

采用相關功率譜分析方法，得到物聯網中傳感器節點傳輸任務調度的負載均衡控制模型如下所示：

(25)

(26)

(27)

圖2 物聯網中傳感節點傳輸任務調度的能量開銷

式中，Ts是任務調度的延遲因子，Tp為多徑干擾的采樣數據，Tc為實時任務調度的傳遞誤差e(n)之間的時延參量，cj為均衡器參數(權重)。根據上述分析，可以采用最短路徑尋優和全局均衡路由算法實現節點傳輸任務調度的鏈路自動轉發和均衡設計。

3 仿真實驗分析

為了驗證該方法在實現物聯網中傳感節點的傳輸任務實時調度中的性能，需要進行仿真實驗。實驗采用Matlab 7 仿真工具設計，傳感器節點分布的初始定位區域為50×50 (m2)，傳感節點實時任務調度采樣的數據規模為2000，測試向量集的樣本個數為100，傳感器路由節點的覆蓋半徑為10m，物聯網傳感器節點的路由拓撲度數為m=3，節點初始能量密度cr=24。根據上述仿真參量設定進行的物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度，得到節點的能量開銷結果如圖2所示。

分析圖2得知，在節點的發射功率確定的情況下，物聯網傳感器節點進行實時任務調度的能量開銷滿足均衡性。測試采用不同方法進行物聯網傳感節點傳輸任務調度的功率，得到對比結果如圖3所示。

圖3 節點傳輸任務的調度性能測試對比

分析圖3得知，采用該方法進行任務調度，可以有效提高網絡的生命周期，丟包率較低，全網均衡性較好。

4 結束語

對物聯網傳感器節點進行實時任務調度，采用分布式的路由傳輸鏈路模型進行任務調度的節點優化部署，可以降低能量開銷，提高節點的自適應轉發能力。本文提出一種基于最短路徑尋優和功耗均衡配置的物聯網中傳感節點傳輸任務實時調度方法。建立物聯網中傳感節點最短路徑尋優控制的網絡空間節點部署模型，進行物聯網的全網傳輸任務關聯信息熵提取，計算傳感器節點傳輸任務的實時能量開銷，結合最短路徑尋優和全局均衡路由算法實現節點傳輸任務調度的鏈路自動轉發和均衡設計，以此指導物聯網中傳感節點實時任務調度。研究得知，本文方法進行節點傳輸任務調度的均衡性較好，調度的實時性較強。