基于BBO算法的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署研究

劉文成

摘要：在無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點部署時，由于優(yōu)化算法的差異，使得優(yōu)化部署后網(wǎng)絡覆蓋率依舊較低，提出基于BBO算法的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署研究?；跓o線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，生成線性網(wǎng)絡，采用該網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)的周期性采集，尋找最佳工作節(jié)點和中繼節(jié)點數(shù)量，并通過二者之間的合理分布，確定最優(yōu)節(jié)點傳輸距離。依托于BBO算法設計節(jié)點布局方案，計算網(wǎng)絡覆蓋率，實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署。實驗結(jié)果表明：不同迭代次數(shù)以及節(jié)點數(shù)目下網(wǎng)絡平均覆蓋率提升了1.20%、2.34%。

關(guān)鍵詞：BBO算法;無線傳感器;周期性采集;網(wǎng)絡節(jié)點;傳輸距離;部署優(yōu)化

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0051-02

作為無線傳感器網(wǎng)絡配置的基礎問題之一，網(wǎng)絡覆蓋率和連通性是優(yōu)化節(jié)點部署的主要目標[1]。對于無線傳感網(wǎng)絡來說，性能的提升取決于節(jié)點部署的合理性，合適的優(yōu)化部署可以提升網(wǎng)絡的感知能力，促進無線傳感網(wǎng)絡良好發(fā)展[2]。

文中采用BBO算法設計了新的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署方法。以生物地理學優(yōu)化算法為基礎，通過網(wǎng)絡節(jié)點的初始化、遷移操作和突變操作，獲得最后部署方案。

1 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署設計

1.1 建立無線傳感器網(wǎng)絡模型

對于無線傳感網(wǎng)絡工作內(nèi)容分析后可知，通過[n]個傳感器，構(gòu)成整體傳感網(wǎng)絡[3]。并在檢測區(qū)域內(nèi)將網(wǎng)絡節(jié)點隨機分布[4]，生成一個線性網(wǎng)絡，采用該網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)的周期性采集。網(wǎng)絡節(jié)點集合為[S=s1，s2，…，si，…，sn]，傳感器節(jié)點數(shù)量為[n]，其中傳感器節(jié)點[si]表示第[i]個節(jié)點。通過分析可知，所有的無線傳感器節(jié)點都具有一些特質(zhì)。由于無線傳感器網(wǎng)絡是由所有節(jié)點共同構(gòu)成，每個節(jié)點都有獨有的標識，節(jié)點在周期內(nèi)生成1 bit數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至基站[5]。

無線傳感器節(jié)點主要包括工作節(jié)點、中繼節(jié)點兩種類型。前者需要完成數(shù)據(jù)的感知和傳輸工作，后者則僅負責數(shù)據(jù)傳輸[6]。在傳感器網(wǎng)絡中出現(xiàn)節(jié)點死亡現(xiàn)象后，則表示網(wǎng)絡壽命達到了盡頭。而網(wǎng)絡壽命與總節(jié)點數(shù)的比值就是網(wǎng)絡效率[7]。

伴隨著傳輸距離的變化，數(shù)據(jù)傳輸消耗能量也會產(chǎn)生變化，并且呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。假設傳輸距離為[d]，1bit數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的能耗[J]計算公式為：

[J=l×（E+εd2），d﹤d0l×（E+εd4），d﹥d0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

計算過程中，首先需要比較傳輸距離[d]與距離門限[d0]，從而確定計算方式。節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送或接收電路功耗為[E];依托于增長指數(shù)[ε]和節(jié)點數(shù)量[l]，利用自由空間信道模型，獲得功率放大器功耗計算結(jié)果。

1.2 描述優(yōu)化部署目標

根據(jù)網(wǎng)絡模型可知，距離基站最遠的工作節(jié)點[nw]的傳輸距離[di]，也就是工作節(jié)點和中繼節(jié)點之間的距離。而兩個節(jié)點之間的傳輸距離表示為[d1]。工作節(jié)點[i]和其相鄰工作節(jié)點之間的中繼節(jié)點數(shù)量為[m（i）]，而節(jié)點感知半徑為[r]。這種條件下，無線傳感器節(jié)點優(yōu)化部署的目標表示為：

[（m（1）+1）×d1≤rm（i）×di≤2r0≤l-i=1nw（m（i）+1）di≤ri=2，3，…，nw] ? ? ? ? （2）

為了避免傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點因能量空洞出現(xiàn)部分節(jié)點死亡的情況，保證數(shù)據(jù)收集過程中，每個節(jié)點消耗相同能量，則無線傳感器網(wǎng)絡的壽命計算公式表示為：

[Elife=E0E] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中網(wǎng)絡壽命[Elife]的計算，需要計算初始功耗[E0]與發(fā)送或接收電路功耗[E]的比例。此時，網(wǎng)絡效率的計算公式為：

[μ=Elifei=1nw（m（i）+1）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

網(wǎng)絡節(jié)點的優(yōu)化部署，實際上就是尋找最佳工作節(jié)點和中繼節(jié)點數(shù)量，并通過二者之間的合理分布，確定最優(yōu)節(jié)點傳輸距離，保證無線傳感網(wǎng)絡的覆蓋率提升，用公式表示為：

[nw，d，nr=argmaxμ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

根據(jù)公式可知，網(wǎng)絡覆蓋率[argmaxμ]提升需要確定結(jié)合工作節(jié)點[nw]，傳輸距離[di]和中繼節(jié)點[nr]共同計算。根據(jù)上述公式可以發(fā)現(xiàn)，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署是一個復雜的問題。

1.3 設計BBO節(jié)點布局算法

由于BBO算法在部署節(jié)點時需要采用整數(shù)編碼的形式，使得每個解都表示一個正數(shù)向量。將算法的解看作棲息地，也就相當于節(jié)點優(yōu)化部署方案[8]。而棲息地適宜性指數(shù)HIS則表示該部署方案的合理性。通過多個適應度指數(shù)的結(jié)合分析，選擇最佳優(yōu)化部署方案。

文中利用均勻設計生成初始種群，并使得搜索范圍內(nèi)種群均勻分布，從而減少計算復雜度。種群棲息地的分量計算公式表示為：

[Hi（d）=ld+rand（0，1）×（ud-ld）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

公式中棲息地[i]的[d]維分量表示為[Hi（d）]，而適應度函數(shù)的目標上、下限分別表示為[ud]和[ld]。通過隨機函數(shù)[rand（）]的計算得出最終結(jié)果。

利用BBO算法設計網(wǎng)路節(jié)點優(yōu)化部署方案時，每個方案中節(jié)點都有不同的遷入率和遷出率，并且這兩個計算結(jié)果影響最終的方案選取。一個合理的優(yōu)化部署方案必然會存在較高的遷出率，以及遷入率會相對較低。則遷入率和遷出率的計算公式為：

[λ=I（1-αi/αmax）σ=Q（αi/αmax）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

公式中遷入率[λ]的計算需要以棲息地的最大遷入率[I]為基礎，同樣遷出率[σ]也是應用最大遷出率[Q]獲得計算結(jié)果。其中，針對某一網(wǎng)絡節(jié)點[α]，將節(jié)點的當前數(shù)量[αi]與可容納最多數(shù)量[αmax]對比計算。作為一種概率算子，突變操作會隨著先驗物種計數(shù)概率變化，完成優(yōu)化部署方案分量的修改，從而影響方案合理性排序。

通過離散化算法，使得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，等間距水平線和豎直線呈現(xiàn)出交錯相連狀態(tài)，并確定線與線之間的交點，分析其與傳感器節(jié)點距離。當計算結(jié)果比節(jié)點的感知半徑小時，交點可以被檢測到。通過檢測到交點的數(shù)量統(tǒng)計，明確該優(yōu)化部署方案實施后的網(wǎng)絡覆蓋率，得出最佳網(wǎng)絡覆蓋率結(jié)果后，就實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署。

2 實驗

2.1 實驗準備

文中采用仿真軟件，模擬無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署，從而觀察文中提出優(yōu)化部署方法的應用效果。實驗過程中，將網(wǎng)絡的規(guī)模設置為1000m，并設置線性網(wǎng)絡的節(jié)點感知半徑為200m。收集lbit數(shù)據(jù)時節(jié)點傳輸距離閾值設置為87，初始化能量和功率放大所需能量分別為0.5 mw和0.0013mw。由于原傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域中的覆蓋程度較低，應用文中設計的方法優(yōu)化部署網(wǎng)絡節(jié)點。

2.2 實驗結(jié)果及分析

在無線傳感器節(jié)點部署實驗中，將工作節(jié)點數(shù)量設置為3，4，5，6，7，分析不同工作節(jié)點數(shù)時的網(wǎng)絡性能差異。文中為了保證無線傳感器網(wǎng)絡效率，需要在較少的工作節(jié)點的基礎上，通過節(jié)點部署優(yōu)化，實現(xiàn)網(wǎng)絡效率和網(wǎng)絡覆蓋率的同步提升。采用文獻[1]方法和文獻[2]方法進行網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署設計。

覆蓋率：是衡量無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署結(jié)果的重要指標。表述方式為工作節(jié)點重疊個數(shù)的覆蓋面積與總部署區(qū)域面積之間的比值，具體計算方式如下所示：

[S=LR×100%] ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

上式中，[L]表示符合測試條件的采樣點數(shù)量;[R]表示總采樣點數(shù)。

隨著節(jié)點部署的優(yōu)化，會使得網(wǎng)絡覆蓋率產(chǎn)生較大變化，針對不同迭代次數(shù)和不同節(jié)點數(shù)目情況，分析三種優(yōu)化部署方法的網(wǎng)絡覆蓋率性能變化。其中，迭代次數(shù)對網(wǎng)絡覆蓋率影響如圖1所示。

網(wǎng)絡覆蓋率隨著迭代次數(shù)的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，文中提出的優(yōu)化部署方法，由于節(jié)點受力范圍的減小，使得節(jié)點每一次移動的步長較小，造成前期收斂速度慢的情況。但是從迭代次數(shù)超過40次后，此時文中設計優(yōu)化部署方法，在網(wǎng)絡覆蓋率性能方面逐漸優(yōu)于文獻[1]方法、文獻[2]方法。不同的節(jié)點數(shù)量變化下，網(wǎng)絡覆蓋率性能變化如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，三種優(yōu)化部署方法應用后，隨著節(jié)點數(shù)目增長，網(wǎng)絡覆蓋率出現(xiàn)增高狀態(tài)。其中，文中設計方法的網(wǎng)絡覆蓋率最高。在同樣的節(jié)點數(shù)目中，文中設計方法部署后網(wǎng)絡覆蓋率遠遠高于其他兩種方法。平均網(wǎng)絡覆蓋率達到了97.52%，而文獻[1]方法和文獻[2]方法的平均網(wǎng)絡覆蓋率分別為96.32%、95.18%。綜上所述，文中設計優(yōu)化部署方法將網(wǎng)絡覆蓋率提升了1.20%、2.34%。

由于相同的網(wǎng)絡覆蓋率，文中設計方法所需的工作節(jié)點數(shù)相對較少，可以提升網(wǎng)絡效率，使得二者達到最佳平衡，促進無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展。

3 結(jié)束語

由于無線網(wǎng)絡的生命周期直接受到網(wǎng)絡部署情況的影響。文中在傳統(tǒng)研究的基礎上，依托于BBO算法，完成節(jié)點優(yōu)化部署設計，在保證網(wǎng)絡效率的前提下，完成網(wǎng)絡覆蓋率的提升。通過實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，文中提出的部署方法，使得網(wǎng)絡覆蓋率實現(xiàn)了快速提升。未來將會針對功能上的優(yōu)化，考慮網(wǎng)絡連通和覆蓋性能的結(jié)合，從而解決設計應用中可能會面臨的各種問題。

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【通聯(lián)編輯：張薇】

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