無線傳感器網絡節點多目標安全優化部署

張倩

摘要??? 目前，隨著社會經濟的快速發展，無線傳感器網絡節點運行中，優化部署方案中，對網絡節點位置移動引起節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絡節點多目標安全優化部署相關問題。

【關鍵詞】無線傳感器 網絡節點 優化部署

1 無線傳感器網絡多節點目標安全優化部署相關模型

1.1 網絡優化部署模型

無線傳感器網絡中，假設在二維平面T區域部署中，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絡節點（下文簡稱節點）。其節點集是S={S1，S2，S3，...，SN}，在此其中，節點Si的坐標位置可表述為（x，y）。SiSi

1.2 多目標節點數學安全優化部署模型

無線傳感器網絡中，可將多目標組合優化問題視為一組參數決策變量到另一組目標的映射過程。對于多目標節點安全優化部署問題，網絡安全性的提高是值得深入考量的問題，同時確保網絡覆蓋率得到提升。所以，應用多目標優化策略，基于安全性與覆蓋率考慮，設計兩個目標函數。此種情況下，基于安全連通度，為多目標節點構建數學優化部署模型，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）分別表示節點安全連通度與網絡覆蓋率等相關目標函數;i∈[1，N]，j∈[1，N]，i=?j，滿足d（Si，Sj）≤Rc條件，是節點全連通約束力，其中d（Si，Sj）是節點Si與Sj間的歐氏距離;而d（Si，S'i）≤dth表示節點移動能耗約束力，d（Si，S'i）是節點優化后及其初始位置間的距離，在此過程中，dth是節點移動最大范圍值。

1.3 多目標節點安全優化部署約束條件

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

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

2 無線傳感器網絡多目標節點優化結果

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

2.1 無線傳感器網絡覆蓋率

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

2.2 無線傳感器網絡多目標節點安全連通度

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

2.3 收斂性算法

對算法收斂速度進行對比基礎上，可發現算法運行效率，本文改進粒子群算法與傳統粒子群算法有相通的迭代次數，因而節點網絡覆蓋率也會更高。另外，節點網絡覆蓋率也會在最短時間內達到最大值。

3 結束語

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

參考文獻

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

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