網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

張利峰

摘要：針對節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)度問題。為此提出一種自適應(yīng)移動網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的位置算法，來解決能量消耗和信息傳送阻塞的問題。此算法的設(shè)計(jì)優(yōu)勢為：當(dāng)移動一個網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)時，整個網(wǎng)絡(luò)信息不會受到影響，只會出現(xiàn)一小部分網(wǎng)絡(luò)信息更新的情況；通過對網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度方案和算法的設(shè)計(jì)和分析，取得了有效的成果。

關(guān)鍵詞：無線傳感技術(shù)；智能目標(biāo)監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)信息更新

中圖分類號：F272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0117-02

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于識別和編碼頻率信號技術(shù)為前提的一種網(wǎng)絡(luò)信息傳送技術(shù)，其中頻率信號在變化的磁場或者由于電的影響引起的磁場之間相互作用來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和自動接收及識別[1]。無線傳感系統(tǒng)主要由電子標(biāo)記和收發(fā)器兩部分組成，在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)收發(fā)器通常采用電池供電的方式，不斷地發(fā)出射頻磁場，以達(dá)到電子標(biāo)記隨時可受到能量的作用發(fā)出信息，這將導(dǎo)致系統(tǒng)收發(fā)器能量的大量消耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)識別信息是通過其內(nèi)部的許多微小的節(jié)點(diǎn)及其內(nèi)部的無線傳感器識別的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。收發(fā)器節(jié)點(diǎn)雖然也是由電池供電，但具有高效的節(jié)能機(jī)制。

1 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法設(shè)計(jì)的原因

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量受限的問題，通過引人能量不受限制的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)研究，進(jìn)而降低在信息識別和傳輸中的能量消耗，做到無線網(wǎng)絡(luò)更久地發(fā)揮其傳遞信息資源的功能。在系統(tǒng)中，距離較近的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)之間容易出現(xiàn)熱點(diǎn)作用的現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，TRf 42， TDf 53， QVf 67等算法在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中引入了一個移動網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)來解決熱點(diǎn)作用的現(xiàn)象。這些算法達(dá)到了改變網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信息傳送方向、使得系統(tǒng)中信息資源平衡和延長網(wǎng)路系統(tǒng)使用年限。但是仍有一些缺點(diǎn)，這些算法都采取隨機(jī)移動節(jié)點(diǎn)的方法，并在移動過程中有規(guī)律地發(fā)送實(shí)時位置信息，使得節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)技能節(jié)點(diǎn)的位置信息時消耗了大量的能量；在QA算法中，因?yàn)楦吣芰抗?jié)點(diǎn)的引入，使得其網(wǎng)絡(luò)成本較高，只能使用于一些特定的場合；MRP算法缺乏考慮最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)的因素，使得在傳遞信息過程中浪費(fèi)了許多能量[2]。WN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是用于監(jiān)測自然環(huán)境的一種技術(shù)，當(dāng)所監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)發(fā)生森林局部火災(zāi)、水質(zhì)污染等時，都會使得區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息量大幅度地增加，進(jìn)而引起區(qū)域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)信息傳遞阻塞的問題發(fā)生。通過只利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)算法，并對其系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，從而達(dá)到減少能量消耗和延長無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用年限。

2 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法具體設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法的網(wǎng)格設(shè)計(jì)

如果無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在檢測范圍內(nèi)。通過調(diào)度算法確定區(qū)域的最東部、最南部、東南部、西南部、最西部和最北部等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置，以從左向右的方向確定橫軸，以從下到上的方向?yàn)榭v軸，并建立平面直角坐標(biāo)系。由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型可知，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)消耗的能量作比較，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)儲存信息的過程中，能量的消耗非常小。所以，在此只考慮無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能節(jié)點(diǎn)的傳遞信息的能量消耗。無線傳感器節(jié)能的能量消耗主要由傳送信息資源和接收網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生的，發(fā)送信息資源數(shù)據(jù)消耗的能量，又包含發(fā)送信息數(shù)據(jù)消耗的能量以及改變功率所消耗的能量[3]。其中傳遞信息數(shù)據(jù)消耗的能量及改變功率所產(chǎn)生的耗能，可見公式（1）：

2.2 簇頭的選取

網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)被劃分成網(wǎng)格后，要考慮節(jié)點(diǎn)的多余能量與節(jié)點(diǎn)位置的因素，在劃分成的網(wǎng)格中選擇一個簇頭節(jié)點(diǎn)，其中最大的網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)會被選為簇頭節(jié)點(diǎn)。重心坐標(biāo)的距離a計(jì)算的方法如公式（10）： （10）

通過對計(jì)算之后的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究和比較分析，可以得到各個節(jié)點(diǎn)被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率與每個節(jié)點(diǎn)的多余能量成正比，即某個節(jié)點(diǎn)的多余能量較多，則被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率也就越大；其與到坐標(biāo)中心的距離成反比，即到坐標(biāo)中心的距離越大，則選為簇頭節(jié)點(diǎn)的幾率也就越大。如果a取較大值是，說明選出的簇頭節(jié)點(diǎn)與多余能量有很大的關(guān)系，反之，則關(guān)聯(lián)性較小。選出合適的簇頭節(jié)點(diǎn)可以平衡整個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所消耗的能量，在完成一輪操作之后要重新選取簇頭節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行下一輪的信息傳導(dǎo)。設(shè)信息數(shù)據(jù)傳導(dǎo)的間隔時間用t表示。t的計(jì)算公式如（11），其中v是指節(jié)點(diǎn)在移動中的速度。

2.3 網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的調(diào)度過程

通過對網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，可以完成對信息數(shù)據(jù)的傳遞，同時也可以實(shí)現(xiàn)對傳遞信息數(shù)據(jù)消耗能量的控制和在一定程度上的減少能耗。此節(jié)點(diǎn)運(yùn)用了控制消耗能量的方法，同時利用動靜結(jié)合的方式，而且對其進(jìn)行設(shè)置功能，即為在靜止?fàn)顟B(tài)下才能發(fā)送和接收信息資源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)移動到某一位置時，可以依據(jù)其所在的區(qū)域算出簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)多余能量Eai，其方法如公式（12）：

2.4 繼節(jié)點(diǎn)的移動位置對信息傳遞的影響

繼節(jié)點(diǎn)移動時不會受能量的限制，具有與正常節(jié)點(diǎn)一樣的傳輸信息資源的能力，而且在網(wǎng)絡(luò)信息資源中自由地移動，從而確定自身的具體地理位置，并通過信息的傳播，使得附近的其它節(jié)點(diǎn)獲得它的位置信息[5]。如果繼節(jié)點(diǎn)在移動過程中已經(jīng)檢測到較大網(wǎng)絡(luò)信息區(qū)域的范圍內(nèi)的坐標(biāo)，就可以通過計(jì)算公式得出此區(qū)域的最遠(yuǎn)距離。繼節(jié)點(diǎn)以圓心移動的方式移動，而且其半徑的長度也隨著它的移動而增大，直至轉(zhuǎn)移到此區(qū)域的邊界區(qū)，它的轉(zhuǎn)移路線為一系列的同心圓移動路線。此外，繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的各個無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)時，有一段時間會發(fā)生靜止，轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行信息數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信息資源。在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器進(jìn)行工作時，若發(fā)現(xiàn)繼節(jié)點(diǎn)的存在并與一般節(jié)點(diǎn)重合，則把信息數(shù)據(jù)發(fā)送到繼節(jié)點(diǎn)；若沒有沒有發(fā)現(xiàn)繼節(jié)點(diǎn)的存在且不發(fā)生位置的重合，則把信息數(shù)據(jù)傳遞到距離簇頭節(jié)點(diǎn)路徑最短的鄰近節(jié)點(diǎn)中。如果移動過程中，繼節(jié)點(diǎn)移動位置與簇頭節(jié)點(diǎn)的移動位置發(fā)生重合，則繼節(jié)點(diǎn)會代替簇頭節(jié)點(diǎn)把信息數(shù)據(jù)發(fā)送到移動中的網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語

針對目前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的算法應(yīng)用效果的分析和研究，并發(fā)現(xiàn)其在控制能耗等方面還存在一些問題，在此提出一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過自己移動位置來有效地減少能量的消耗的一種算法。這種算法首先計(jì)算最佳網(wǎng)格數(shù)，而后選取適當(dāng)?shù)拇仡^，降低在信息數(shù)據(jù)傳遞過程中產(chǎn)生的能耗，并通過剩余能量計(jì)算方法，把計(jì)算結(jié)果較低的自動排除在簇頭的選取范圍之外。除此之外還對網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)及繼節(jié)點(diǎn)的移動工程進(jìn)行了分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)最節(jié)能節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

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