可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞姆治?/h1>
2018-03-22 11:44:14王慧英高善坤張雙雙
電子技術(shù)與軟件工程 2018年3期
王慧英 高善坤 張雙雙
摘 要 對(duì)不同時(shí)刻不同傳感器節(jié)點(diǎn)，還有無(wú)線能量補(bǔ)給需要遵循的約束條件進(jìn)行了分析，通過(guò)分析得到了多狀態(tài)線性規(guī)劃問(wèn)題。然后對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，最終獲得無(wú)限能量補(bǔ)給等。對(duì)比之前的研究結(jié)果，優(yōu)化目標(biāo)得到了有20%以上的提高。
【關(guān)鍵詞】可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)拓?fù)?動(dòng)態(tài)路由
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為有關(guān)領(lǐng)域諸如資源保護(hù)、環(huán)境管理等，在技術(shù)設(shè)備和信息上提供了更好的平臺(tái)。本文主要在以往研究的基礎(chǔ)長(zhǎng)，分析可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)洌荚谧屍鋵?shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作的目標(biāo)得到最優(yōu)解。
1 可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)溲芯康膭?chuàng)新
（1）本文提出了可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)拓?fù)涔ぷ鞣绞?。因?yàn)樵谙蛟O(shè)備進(jìn)行能量補(bǔ)給的過(guò)程中，無(wú)線能量補(bǔ)給需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全部的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行造訪，因此在子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)是以簇頭的形式存在的，因此可以這樣說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的特性存在動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?/p>
（2）在本文中，對(duì)于數(shù)據(jù)的接收本文除了固定的基站外，無(wú)線能量補(bǔ)給同樣能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行收集。
因?yàn)閷?duì)于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中相對(duì)于的簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均會(huì)有對(duì)應(yīng)，這就造成所遵循的條件會(huì)受到約束，因此，在進(jìn)行模型優(yōu)化的建立過(guò)程中，需要對(duì)所受到約束的條件進(jìn)行充分的考慮，而這就會(huì)增加了建立模型優(yōu)化的難度。按照此在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)拓?fù)涔ぷ鞯男问?，然后切?shí)的建立起相適應(yīng)額優(yōu)化模型，同時(shí)將其問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃，最后得到求解。仿真結(jié)果表明，相對(duì)比僅進(jìn)行能量補(bǔ)給而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線能量補(bǔ)給在動(dòng)態(tài)拓?fù)浞绞较鹿ぷ鞯男视兄黠@的提高。
2 問(wèn)題描述及優(yōu)化問(wèn)題初步建模
2.1 能量補(bǔ)給階段
初始能量補(bǔ)給主要是指在布設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成之后，全部傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)能量補(bǔ)給第一次接受的階段；一般能量進(jìn)行補(bǔ)給的階段。 一般能量進(jìn)行補(bǔ)給的階段主要是由數(shù)據(jù)采集周期組成的，此周期一般情況下需要滿(mǎn)足以下各個(gè)條件。
（1）在任意一個(gè)能量補(bǔ)給的周期內(nèi)，在電量上任意一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)要大于Emin，同時(shí)也不能夠大于Emax。
（2）相對(duì)于每個(gè)傳感器上的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在一段時(shí)間內(nèi)曲線變化過(guò)程中，其任意兩個(gè)的一般能量補(bǔ)給均一樣。
在第一個(gè)條件中，對(duì)一般能量補(bǔ)給提出要求，要求其不管是在任何傳感器節(jié)點(diǎn)的電量時(shí)，都能夠?qū)ζ涞恼９ぷ鬟M(jìn)行維持，于此同時(shí)，也能夠讓過(guò)充電操作的發(fā)生得到了限制。本文主要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行討論，并為其的工作設(shè)計(jì)相適應(yīng)的方案，而這就需要借助條件2限制無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。
2.2 一般能量補(bǔ)給周期模型
由于無(wú)線傳感器材網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備工作方案的建立，是在進(jìn)行一般能量補(bǔ)給的周期之內(nèi)，因此在這里僅對(duì)一般能量補(bǔ)給周期進(jìn)行討論。將一般能量補(bǔ)給周期的長(zhǎng)度設(shè)為τ，那么這個(gè)時(shí)候的一般能量補(bǔ)給開(kāi)始的周期就是τ，周期結(jié)束時(shí)間為2τ；i∈N（傳感器節(jié)點(diǎn)）借助監(jiān)測(cè)環(huán)境，然后最終數(shù)據(jù)的速率產(chǎn)生記為Ribit/s；傳感器節(jié)點(diǎn)i在t（t∈{τ，2τ}時(shí)刻，將會(huì)從其他傳感器節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。通過(guò)建立的模型分析發(fā)現(xiàn)，如果要全部實(shí)施能量補(bǔ)給的方法，即要保證傳感器節(jié)點(diǎn)在每次充電完成之后，能量能夠達(dá)到Emax，對(duì)OPT-1最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值不發(fā)生改變問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。然后再通過(guò)約束條件進(jìn)行黃鉆花，最終得到新的優(yōu)化問(wèn)題OPT-2。
3 模型分析和優(yōu)化問(wèn)題
3.1 分析優(yōu)化模型
上述中得到了優(yōu)化問(wèn)題OPT-2。首先對(duì)約束條件的個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，那自然而然約束條件相對(duì)應(yīng)的也就有N個(gè)約束等式。其次，上述的模型并不是一個(gè)線性規(guī)劃模型，因?yàn)橛蟹浅６嗟姆e分項(xiàng)在其約束條件中。基于此，要想對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行最優(yōu)解是非常難的。
3.2 在不同的狀態(tài)下不同節(jié)點(diǎn)需要遵照的約束條件和優(yōu)化問(wèn)題OPT-3
根據(jù)上述可知，對(duì)OPT-2約束條件的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，是因?yàn)槠渲杏蟹浅６嗟姆e分項(xiàng)，這是造成此優(yōu)化問(wèn)題非線性出現(xiàn)的一個(gè)主要原因。為了能夠讓這一因素得到徹底的消除，就需要對(duì)其的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。因此可以 通過(guò)對(duì)比例項(xiàng)等進(jìn)行消除，然后達(dá)到對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化的目的，并且讓此優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問(wèn)題。在求出最優(yōu)解之后，借助逆運(yùn)算，然后就 能夠得到OPT-5中相應(yīng)優(yōu)化變量的值。
4 優(yōu)化問(wèn)題OPT-5的模型復(fù)雜度的分析
對(duì)問(wèn)題OPT-5中約束條件的復(fù)雜度進(jìn)行計(jì)算并且優(yōu)化。具體如表1所示。
根據(jù)分析可知，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如果處于的階段不同 ，那所采用的數(shù)據(jù)路由也是不同的；傳感器節(jié)點(diǎn)在接受能量補(bǔ)給的過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)上承擔(dān)的更多，傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭并不是一成不變的，同理子網(wǎng)的劃分也并不是不發(fā)生改變的，因此這就說(shuō)名有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在。
5 結(jié)束語(yǔ)
在以往研究成果的研究 中，對(duì)可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋯?wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)本文的分析和研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化目標(biāo)在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路下，得到了有20%以上的提高。
參考文獻(xiàn)
[1]尚小溥.基于圖相關(guān)理論的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干拓?fù)鋯?wèn)題研究[D].北京交通大學(xué)，2015.
[2]劉浩然，孫雅靜，劉彬，等.能耗均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度容錯(cuò)拓?fù)淠Ｐ蚚J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2017，40（08）：1843-1855.
[3]劉洲洲，王福豹.能量有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ蚚J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（01）：87-91.
作者單位
商丘工學(xué)院 河南省商丘市 476000
王慧英 高善坤 張雙雙
摘 要 對(duì)不同時(shí)刻不同傳感器節(jié)點(diǎn)，還有無(wú)線能量補(bǔ)給需要遵循的約束條件進(jìn)行了分析，通過(guò)分析得到了多狀態(tài)線性規(guī)劃問(wèn)題。然后對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，最終獲得無(wú)限能量補(bǔ)給等。對(duì)比之前的研究結(jié)果，優(yōu)化目標(biāo)得到了有20%以上的提高。
【關(guān)鍵詞】可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)拓?fù)?動(dòng)態(tài)路由
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為有關(guān)領(lǐng)域諸如資源保護(hù)、環(huán)境管理等，在技術(shù)設(shè)備和信息上提供了更好的平臺(tái)。本文主要在以往研究的基礎(chǔ)長(zhǎng)，分析可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)洌荚谧屍鋵?shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作的目標(biāo)得到最優(yōu)解。
1 可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)溲芯康膭?chuàng)新
（1）本文提出了可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)拓?fù)涔ぷ鞣绞?。因?yàn)樵谙蛟O(shè)備進(jìn)行能量補(bǔ)給的過(guò)程中，無(wú)線能量補(bǔ)給需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全部的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行造訪，因此在子網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)是以簇頭的形式存在的，因此可以這樣說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的特性存在動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?/p>
（2）在本文中，對(duì)于數(shù)據(jù)的接收本文除了固定的基站外，無(wú)線能量補(bǔ)給同樣能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行收集。
因?yàn)閷?duì)于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中相對(duì)于的簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均會(huì)有對(duì)應(yīng)，這就造成所遵循的條件會(huì)受到約束，因此，在進(jìn)行模型優(yōu)化的建立過(guò)程中，需要對(duì)所受到約束的條件進(jìn)行充分的考慮，而這就會(huì)增加了建立模型優(yōu)化的難度。按照此在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)拓?fù)涔ぷ鞯男问?，然后切?shí)的建立起相適應(yīng)額優(yōu)化模型，同時(shí)將其問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃，最后得到求解。仿真結(jié)果表明，相對(duì)比僅進(jìn)行能量補(bǔ)給而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線能量補(bǔ)給在動(dòng)態(tài)拓?fù)浞绞较鹿ぷ鞯男视兄黠@的提高。
2 問(wèn)題描述及優(yōu)化問(wèn)題初步建模
2.1 能量補(bǔ)給階段
初始能量補(bǔ)給主要是指在布設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成之后，全部傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)能量補(bǔ)給第一次接受的階段；一般能量進(jìn)行補(bǔ)給的階段。 一般能量進(jìn)行補(bǔ)給的階段主要是由數(shù)據(jù)采集周期組成的，此周期一般情況下需要滿(mǎn)足以下各個(gè)條件。
（1）在任意一個(gè)能量補(bǔ)給的周期內(nèi)，在電量上任意一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)要大于Emin，同時(shí)也不能夠大于Emax。
（2）相對(duì)于每個(gè)傳感器上的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在一段時(shí)間內(nèi)曲線變化過(guò)程中，其任意兩個(gè)的一般能量補(bǔ)給均一樣。
在第一個(gè)條件中，對(duì)一般能量補(bǔ)給提出要求，要求其不管是在任何傳感器節(jié)點(diǎn)的電量時(shí)，都能夠?qū)ζ涞恼９ぷ鬟M(jìn)行維持，于此同時(shí)，也能夠讓過(guò)充電操作的發(fā)生得到了限制。本文主要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行討論，并為其的工作設(shè)計(jì)相適應(yīng)的方案，而這就需要借助條件2限制無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。
2.2 一般能量補(bǔ)給周期模型
由于無(wú)線傳感器材網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備工作方案的建立，是在進(jìn)行一般能量補(bǔ)給的周期之內(nèi)，因此在這里僅對(duì)一般能量補(bǔ)給周期進(jìn)行討論。將一般能量補(bǔ)給周期的長(zhǎng)度設(shè)為τ，那么這個(gè)時(shí)候的一般能量補(bǔ)給開(kāi)始的周期就是τ，周期結(jié)束時(shí)間為2τ；i∈N（傳感器節(jié)點(diǎn)）借助監(jiān)測(cè)環(huán)境，然后最終數(shù)據(jù)的速率產(chǎn)生記為Ribit/s；傳感器節(jié)點(diǎn)i在t（t∈{τ，2τ}時(shí)刻，將會(huì)從其他傳感器節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。通過(guò)建立的模型分析發(fā)現(xiàn)，如果要全部實(shí)施能量補(bǔ)給的方法，即要保證傳感器節(jié)點(diǎn)在每次充電完成之后，能量能夠達(dá)到Emax，對(duì)OPT-1最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值不發(fā)生改變問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。然后再通過(guò)約束條件進(jìn)行黃鉆花，最終得到新的優(yōu)化問(wèn)題OPT-2。
3 模型分析和優(yōu)化問(wèn)題
3.1 分析優(yōu)化模型
上述中得到了優(yōu)化問(wèn)題OPT-2。首先對(duì)約束條件的個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，那自然而然約束條件相對(duì)應(yīng)的也就有N個(gè)約束等式。其次，上述的模型并不是一個(gè)線性規(guī)劃模型，因?yàn)橛蟹浅６嗟姆e分項(xiàng)在其約束條件中。基于此，要想對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行最優(yōu)解是非常難的。
3.2 在不同的狀態(tài)下不同節(jié)點(diǎn)需要遵照的約束條件和優(yōu)化問(wèn)題OPT-3
根據(jù)上述可知，對(duì)OPT-2約束條件的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，是因?yàn)槠渲杏蟹浅６嗟姆e分項(xiàng)，這是造成此優(yōu)化問(wèn)題非線性出現(xiàn)的一個(gè)主要原因。為了能夠讓這一因素得到徹底的消除，就需要對(duì)其的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。因此可以 通過(guò)對(duì)比例項(xiàng)等進(jìn)行消除，然后達(dá)到對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化的目的，并且讓此優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問(wèn)題。在求出最優(yōu)解之后，借助逆運(yùn)算，然后就 能夠得到OPT-5中相應(yīng)優(yōu)化變量的值。
4 優(yōu)化問(wèn)題OPT-5的模型復(fù)雜度的分析
對(duì)問(wèn)題OPT-5中約束條件的復(fù)雜度進(jìn)行計(jì)算并且優(yōu)化。具體如表1所示。
根據(jù)分析可知，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如果處于的階段不同 ，那所采用的數(shù)據(jù)路由也是不同的；傳感器節(jié)點(diǎn)在接受能量補(bǔ)給的過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)上承擔(dān)的更多，傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭并不是一成不變的，同理子網(wǎng)的劃分也并不是不發(fā)生改變的，因此這就說(shuō)名有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在。
5 結(jié)束語(yǔ)
在以往研究成果的研究 中，對(duì)可充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋯?wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)本文的分析和研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化目標(biāo)在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路下，得到了有20%以上的提高。
參考文獻(xiàn)
[1]尚小溥.基于圖相關(guān)理論的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干拓?fù)鋯?wèn)題研究[D].北京交通大學(xué)，2015.
[2]劉浩然，孫雅靜，劉彬，等.能耗均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度容錯(cuò)拓?fù)淠Ｐ蚚J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2017，40（08）：1843-1855.
[3]劉洲洲，王福豹.能量有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)標(biāo)度拓?fù)淠Ｐ蚚J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（01）：87-91.
作者單位
商丘工學(xué)院 河南省商丘市 476000
