基于能量分塊均衡算法的網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗調(diào)整

尹然然

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系，合肥 230051）

針對(duì)不存在基干網(wǎng)的區(qū)域與基干網(wǎng)被破壞的區(qū)域，固定基站網(wǎng)絡(luò)在處理特殊情況時(shí)，存在一定的局限性，需要組建新型網(wǎng)絡(luò)，由此多基站網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。依據(jù)自組織分群層次協(xié)議，在獲取數(shù)據(jù)與物理定位方面，多基站網(wǎng)絡(luò)均可以滿足自組網(wǎng)的需求，但是多基站路由在能耗方面還有待完善，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的，許多學(xué)者對(duì)路由能耗調(diào)整方法進(jìn)行了研究[3-4]。

李東林和韋素媛[5]提出基于簇首位置控制的異構(gòu)WSN分簇路由算法，利用分區(qū)成簇概念，通過(guò)布置異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，簇首選舉公式實(shí)現(xiàn)對(duì)簇首位置的控制，并通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)剩余能量實(shí)現(xiàn)對(duì)簇首位置的合理布置。在此基礎(chǔ)上，采用增加中繼節(jié)點(diǎn)的方法將原本由簇首承擔(dān)的簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)WSN分簇路由設(shè)計(jì)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該算法可以將網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間延長(zhǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簇間多跳傳輸，但是由于沒(méi)有充分考慮簇頭的剩余能量問(wèn)題，容易造成簇頭過(guò)早死亡的問(wèn)題，降低了網(wǎng)絡(luò)生命周期。孫振等[6]提出分簇路由算法中的多跳跳數(shù)及中繼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法，該方法在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化之前，需要獲取能耗最小時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸最優(yōu)路徑，即簇頭節(jié)點(diǎn)到基站的最優(yōu)跳數(shù)，并通過(guò)入簇半徑對(duì)簇規(guī)模進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)路由中繼能耗均衡的效果。以此為基礎(chǔ)，選取理想路徑中的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為下一跳的中繼節(jié)點(diǎn)，依靠多次選取節(jié)點(diǎn)達(dá)到降低路由能耗的效果。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法能夠降低路由能耗速率，但是存在數(shù)據(jù)包接收量較低的問(wèn)題。除上述方法外，還有研究人員提出了基于Anycast的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多基站路由算法，該算法在能耗均衡處理中，設(shè)定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，即以中繼節(jié)點(diǎn)到基站的最低能耗為標(biāo)準(zhǔn)，但是考慮實(shí)際情況可知，路由能耗最低時(shí)的跳數(shù)不能確定，跳數(shù)不一定為兩跳，因此，該方法不適用于多基站路由能耗控制研究，而且，路由能耗速率較大[7-8]。

為了解決現(xiàn)有方法存在的網(wǎng)絡(luò)生命周期較短、路由能耗速率較大以及數(shù)據(jù)包接收量較低的問(wèn)題，提出基于能量分塊均衡算法的網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗調(diào)整方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有效解決了現(xiàn)有方法的不足，提升了網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗控制效果，充分驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。

1 網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗調(diào)整

為了有效解決網(wǎng)絡(luò)多基站路由的能耗問(wèn)題，以能量分塊均衡算法為理論依據(jù)，通過(guò)部署多個(gè)基站，并對(duì)基站進(jìn)行理想分區(qū)，選取適當(dāng)?shù)拇仡^節(jié)點(diǎn)，使簇頭承擔(dān)更多路由傳輸任務(wù)，進(jìn)而避免出現(xiàn)熱區(qū)、局部過(guò)優(yōu)等問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)生命周期持續(xù)時(shí)間加大，提升數(shù)據(jù)包的接收量。

1.1 多基站下路由能耗管理的DSP設(shè)計(jì)

在對(duì)路由能耗進(jìn)行調(diào)整之前，為了優(yōu)化多基站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行功能，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，要先設(shè)計(jì)多基站下路由能耗數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process?ing，DSP）模型，該模型通過(guò)模擬各基站之間的信息交互，可以將整體管理流程接入到基站中，實(shí)現(xiàn)將業(yè)務(wù)分組的作用。DSP模型在工作中將位置區(qū)更新與路由區(qū)更新共同接入多基站中，并基于非均勻分簇（Energy-Efficient Uneven Clustering，EEUC）路由協(xié)議調(diào)整基站中各簇的規(guī)模，降低簇內(nèi)能量消耗，使簇頭能夠承擔(dān)比分塊之前更多的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，以此來(lái)均衡整體能耗，降低整體能耗水平。圖1為多基站下路由能耗管理DSP模型示意圖。

圖1 多基站下路由能耗管理DSP模型示意圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗數(shù)據(jù)特征提取

將網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗數(shù)據(jù)作為一組非線性統(tǒng)計(jì)序列，采用統(tǒng)計(jì)特征序列分析方法對(duì)路由能耗數(shù)據(jù)特征進(jìn)行挖掘，同時(shí)，對(duì)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路由能耗的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在對(duì)路由能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行建模時(shí)，重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和接收時(shí)所消耗的能量，忽略數(shù)據(jù)采集、計(jì)算以及存儲(chǔ)等基礎(chǔ)處理過(guò)程中所消耗的能量。設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸距離為d，則在該距離中數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量為：

其中，d0代表距離臨界值；n代表數(shù)據(jù)量；k代表數(shù)據(jù)傳輸路徑；T代表數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)；e代表起始節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)；u代表目的節(jié)點(diǎn)所消耗的能量；U代表能耗最大值。根據(jù)公式（1）得出數(shù)據(jù)接收所消耗的能量為：

其中，xki代表數(shù)據(jù)接收時(shí)在某條路徑中所產(chǎn)生的能耗；i代表該路徑上的第i跳能耗。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸與接收時(shí)所產(chǎn)生的能耗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗特征屬性權(quán)重進(jìn)行特征分層建模，特征分層中具有一個(gè)三元組(Ed,Fd,U)，根據(jù)三元組獲取路由能耗中的高頻分量集合：

其中，a代表隨機(jī)函數(shù)。假設(shè)能耗數(shù)據(jù)與所有高頻分量均呈現(xiàn)出正態(tài)關(guān)系，那么假設(shè)Au符合分布函數(shù)，則分析路由能耗統(tǒng)計(jì)特征的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

其中，s和h分別代表自由空間模式下與多徑衰減模式下單位比特的數(shù)據(jù)能耗。當(dāng)dd0時(shí)，選取多徑衰減模式下的能耗數(shù)據(jù)特征，根據(jù)具體情況完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗數(shù)據(jù)特征的提取。

1.3 多基站路由能耗預(yù)測(cè)

根據(jù)提取得到的多基站路由能耗數(shù)據(jù)特征，計(jì)算能耗數(shù)據(jù)發(fā)生過(guò)載的概率：

其中，βk代表路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相似性帶來(lái)的冗余；G代表數(shù)據(jù)相似性。

在路由能耗統(tǒng)計(jì)實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)中[10]，構(gòu)建一組非線性組合特征分布序列：

聯(lián)立公式（6）和（7）得到能耗聯(lián)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

對(duì)路由能耗數(shù)據(jù)序列進(jìn)行特征重組，得到能耗數(shù)據(jù)最優(yōu)生成窗口：

通過(guò)對(duì)多基站路由能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲取特征提取結(jié)果，結(jié)合線性預(yù)測(cè)方法通過(guò)最優(yōu)生成窗口完成對(duì)多基站路由能耗的預(yù)測(cè)。

1.4 基于能量分塊均衡算法實(shí)現(xiàn)能耗調(diào)整

由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相似性會(huì)帶來(lái)流量過(guò)載問(wèn)題，使路由簇頭負(fù)擔(dān)過(guò)重，為了降低由于長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的能耗加大問(wèn)題，以多基站路由能耗預(yù)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，基于能量分塊均衡算法建立簇成員節(jié)點(diǎn)能耗模型與簇頭節(jié)點(diǎn)能耗模型，達(dá)到均衡路由簇頭的目標(biāo)[11-12]。

利用能量分塊均衡算法構(gòu)建能耗調(diào)整模型，現(xiàn)有模型僅適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，但是長(zhǎng)距離傳輸所帶來(lái)的冗余問(wèn)題更為嚴(yán)重[13]，因此，本文構(gòu)建適用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪芎恼{(diào)整模型。公式（10）為長(zhǎng)度為1比特的數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)消耗的能量：

其中，ρ代表簇頭數(shù)量；EKH代表能耗放大因子。為降低由多因素影響帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)偏差，建立約束條件：

在滿足公式（11）所示的約束條件下，通常情況下，簇成員僅對(duì)與其對(duì)應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)包[14]，因此，建立了簇成員節(jié)點(diǎn)能耗模型：

其中，Eτ代表簇成員距離簇頭節(jié)點(diǎn)的期望值，其計(jì)算公式為：

其中，λ代表簇成員匯集所在的環(huán)，即直傳區(qū)；κ代表環(huán)間距。

由于簇頭節(jié)點(diǎn)需要借助中間節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在此過(guò)程中不會(huì)直接將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，會(huì)消耗更多的能量[15]，因此建立簇頭節(jié)點(diǎn)能耗模型：

其中，pk代表簇頭節(jié)點(diǎn)接收到的來(lái)自于簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的能耗值；qk代表簇頭節(jié)點(diǎn)所消耗的整體能量；ε代表簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到基站的最優(yōu)跳數(shù)。

該模型的具體運(yùn)行流程為：所有節(jié)點(diǎn)給各個(gè)基站發(fā)送自身的位置信息，基站根據(jù)能量分塊均衡算法建立不均勻簇，并從中挑選出簇頭，根據(jù)傳輸距離動(dòng)態(tài)選擇下一跳，當(dāng)簇頭同時(shí)滿足距離臨界值與能耗限制時(shí)，實(shí)現(xiàn)多基站路由能耗調(diào)整，否則進(jìn)行簇頭輪換，從而實(shí)現(xiàn)路由能耗均衡目的。

綜上，通過(guò)簇成員節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)的分塊均衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗的均衡調(diào)整。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于能量分塊均衡算法的網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗調(diào)整方法的有效性與適用性，以基于簇首位置控制的異構(gòu)WSN分簇路由算法（方法1）、分簇路由算法中的多跳跳數(shù)及中繼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法（方法2）以及基于Anycast的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多基站路由算法（方法3）為對(duì)比方法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，要先設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)所用網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是一個(gè)正方形區(qū)域，其邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，將多個(gè)基站放置于該區(qū)域的中央，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以網(wǎng)絡(luò)生命周期為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用效果，網(wǎng)絡(luò)生命周期通過(guò)公式（15）進(jìn)行計(jì)算：

其中，gij代表網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的存活率，節(jié)點(diǎn)存活率越高，網(wǎng)絡(luò)生命周期越長(zhǎng)。具體的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)生命周期對(duì)比

分析圖2可知，隨著迭代次數(shù)的增加，不同方法下網(wǎng)絡(luò)生命周期均呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而采用本文方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗進(jìn)行調(diào)整后，節(jié)點(diǎn)的存活率明顯高于現(xiàn)有方法，其最高值達(dá)到了80%以上，說(shuō)明該方法能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。這是由于該方法通過(guò)將EEUC路由協(xié)議與多基站下路由管理DSP設(shè)計(jì)結(jié)合，提高了簇頭可承擔(dān)的路由傳輸任務(wù)，從而有效提升了路由節(jié)點(diǎn)的存活率，進(jìn)而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。不同方法的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 路由能耗速率對(duì)比結(jié)果

分析圖3可知，采用基于Anycast的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多基站路由算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗進(jìn)行調(diào)整時(shí)，路由能耗速率提升幅度較大，并且整體水平遠(yuǎn)高于其他方法。雖然方法1和方法2的能耗速率相較于方法3有了明顯降低，但是仍然高于本文方法，說(shuō)明本文方法在路由能耗速率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠減緩能源消耗速度。

數(shù)據(jù)包接收量會(huì)影響路由能耗量，雖然本文研究目標(biāo)是降低路由能耗，但是不能以減少數(shù)據(jù)包接收量為代價(jià)，因此，在同等能耗量下，驗(yàn)證不同方法可承受的數(shù)據(jù)包接收量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)包接收量對(duì)比結(jié)果

分析圖4可知，在路由能耗一致的條件下，本文方法的數(shù)據(jù)包接收量明顯高于現(xiàn)有方法，說(shuō)明該方法能夠承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法在多基站路由能耗調(diào)整過(guò)程中，在網(wǎng)絡(luò)生命周期、路由能耗速率以及數(shù)據(jù)包接收量方面，均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有較高的使用價(jià)值。

3 結(jié)論

為了解決針對(duì)現(xiàn)有方法存在的網(wǎng)絡(luò)生命周期較短、路由能耗速率較大以及數(shù)據(jù)包接收量較低的問(wèn)題，本文以基于能量分塊均衡算法為基礎(chǔ)，研究網(wǎng)絡(luò)多基站路由能耗調(diào)整方法，本文研究的主要貢獻(xiàn)如下：

依據(jù)非均勻分簇EEUC路由協(xié)議與數(shù)字信號(hào)處理模型，對(duì)基站中各簇規(guī)模進(jìn)行調(diào)整，解決了現(xiàn)有方法數(shù)據(jù)包接收量較低的問(wèn)題。

根據(jù)能量分塊均衡算法，構(gòu)建簇成員和簇頭節(jié)點(diǎn)能耗模型，使數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)得到了分散，避免了集中傳輸帶來(lái)的能耗過(guò)大問(wèn)題。

雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本文方法具有較好的性能，但是由于該方法沒(méi)有考慮到異構(gòu)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，還不適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，因此，接下來(lái)將繼續(xù)研究該類網(wǎng)絡(luò)路由能耗均衡算法。