遺傳算法在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度中的應(yīng)用

馮建云

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn)、用戶、網(wǎng)絡(luò)組成[1]。節(jié)點(diǎn)主要覆蓋監(jiān)測(cè)范圍，網(wǎng)絡(luò)需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)信息，用戶則為傳感終端。相關(guān)研究人員針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及特點(diǎn)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了兩種常規(guī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法。第一種為數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其主要通過(guò)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量，完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度；第二種為數(shù)據(jù)相似無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其利用數(shù)據(jù)相似度原理構(gòu)建模糊等價(jià)矩陣，篩選冗余節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)合理調(diào)度[2]。上述兩種常規(guī)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法均使用隨機(jī)部署法感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，容易增加網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點(diǎn)總量，不能滿足目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)調(diào)度需求，因此本文利用遺傳算法，設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法。

1 基于遺傳算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法設(shè)計(jì)

1.1 分配數(shù)據(jù)調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)信道

常規(guī)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法難以分配合理的調(diào)度信道，必須使用隨機(jī)部署法層層感知，嚴(yán)重影響了最終的分配效果[3]。因此，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法以各個(gè)調(diào)度信道的資源分配特征為基礎(chǔ)，繪制單信道通信框架，提高了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，有效地分配數(shù)據(jù)調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)信道，單信道通信框架如圖1所示。

圖1 單信道通信框架

由圖1可知，該單信道通信框架可以提高兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向調(diào)度效率，從而使大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處在調(diào)度范圍內(nèi)。若即將調(diào)度的節(jié)點(diǎn)正在被占用，可以利用該通信框架重新進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)規(guī)劃，避免節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)退避問(wèn)題。若面臨較復(fù)雜的調(diào)度請(qǐng)求，為避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部分配不均，可以設(shè)計(jì)一個(gè)多信道通信框架，如圖2所示。

圖2 多信道通信框架

由圖2可知，上述多信道通信框架可以并發(fā)調(diào)度數(shù)據(jù)，存在較強(qiáng)的抗干擾性，可以結(jié)合信道分配的S-MAC協(xié)議分配數(shù)據(jù)調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)信道。

1.2 基于遺傳算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度模型

結(jié)合上述分配的數(shù)據(jù)調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)信道，可以制定合理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方案，在實(shí)際調(diào)度過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)過(guò)多問(wèn)題，難以進(jìn)行有效布局，因此本文根據(jù)遺傳算法中的空間定向搜索原理進(jìn)行定向計(jì)算，構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)調(diào)度模型，從而解決復(fù)雜的空間定向數(shù)據(jù)調(diào)度問(wèn)題。首先可以針對(duì)調(diào)度問(wèn)題選擇候選群體，判定各個(gè)候選群體的環(huán)境適應(yīng)度，然后再利用交叉變異算子生成調(diào)度方案。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)集可以使用B來(lái)表示，再根據(jù)遺傳算法的種群空間搜索原則生成相應(yīng)的調(diào)度子集，此時(shí)可以選擇遺傳算子，步驟如下。

首先從種群內(nèi)獲取適應(yīng)度一致的調(diào)度個(gè)體，假設(shè)此時(shí)存在的個(gè)體數(shù)量為k，則每個(gè)個(gè)體被選中的概率

如式（1）所示。

交叉布局矩陣可以生成調(diào)度初始種群，并將矩陣內(nèi)的全部元素歸零，若中心布局因子不滿足實(shí)際調(diào)度條件，需要重新生成新的交叉布局矩陣。此時(shí)生成的個(gè)體適應(yīng)度滿足實(shí)際調(diào)度執(zhí)行需求，存在的調(diào)度總數(shù)如式（2）所示。

在數(shù)據(jù)調(diào)度中心的數(shù)據(jù)具有固有屬性，各個(gè)元素之間也存在基本容量關(guān)系，因此，本文結(jié)合上述計(jì)算式獲取了最終調(diào)度數(shù)目，設(shè)置了調(diào)度執(zhí)行時(shí)間，生成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度模型如式（3）所示。

式中，為數(shù)據(jù)中心中的調(diào)度數(shù)據(jù)數(shù)量；為調(diào)度定義矩陣；m為數(shù)據(jù)集基本容量。使用上述無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度模型可以有效地獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)特征，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，降低各個(gè)調(diào)度過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)損耗率。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

若無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，會(huì)嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)的調(diào)度活性，導(dǎo)致調(diào)度效率下降，調(diào)度能耗升高，因此，本文將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，搭建合理的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為了使實(shí)驗(yàn)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)調(diào)度狀態(tài)相一致，本文選取OMNET搭建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，調(diào)整后該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下。

OMNET搭建仿真平臺(tái)的仿真區(qū)域?yàn)?50 m×250 m；其內(nèi)部包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為500個(gè)；init參數(shù)為0.5J；elec參數(shù)為50 Nj/bit；fs參數(shù)為100 pJ/bit/m2；amp參數(shù)為100 pJ/bit/m2；DA參數(shù)為5 Nj/bit；每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)周期為15 s；數(shù)據(jù)包大小為4000 bit；通信半徑為50 m。

在實(shí)驗(yàn)初期，需要預(yù)先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，選取Count作為滿足實(shí)驗(yàn)需求的調(diào)度輪數(shù)計(jì)算器，并將輪數(shù)計(jì)算器的初始值歸零；接下來(lái)需要采集符合標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)收集中心進(jìn)行收集。待實(shí)驗(yàn)收集中心接收了全部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)行BS聚類分析處理，將其發(fā)送至Sink節(jié)點(diǎn)，生成模糊等價(jià)矩陣，最后再由Mode接收實(shí)驗(yàn)信息，輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)步驟，可以設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率計(jì)算式，如式（4）所示。

式中，W為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中存活的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)量。經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，每一輪數(shù)采集的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量均不同，實(shí)際調(diào)度難度也存在一定差異，因此在實(shí)驗(yàn)開始之前要計(jì)算各個(gè)輪數(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度 ，計(jì)算公式如式（5）所示。

本實(shí)驗(yàn)需要將N個(gè)節(jié)點(diǎn)放置在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，并賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)相同的初始能量，記錄其隨機(jī)變化半徑，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)部署位置即為實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)部署位置。設(shè)置的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須具有充足的驅(qū)動(dòng)能量，且內(nèi)部的組成密度較高，存在冗余節(jié)點(diǎn)，除此之外，各個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度時(shí)間必須同步，最大程度地降低調(diào)度輪次的計(jì)算誤差。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，可以進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度實(shí)驗(yàn)。分別使用本文設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法，文獻(xiàn)一中的數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法、文獻(xiàn)二中的數(shù)據(jù)相似無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，在本文設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度，使用式（4）計(jì)算3種方法在不同調(diào)度輪數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法在不同輪數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率較高，均高于90%；文獻(xiàn)[1]中的數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法在不同輪數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率相對(duì)較低，均在60%～80%；文獻(xiàn)[2]中的數(shù)據(jù)相似無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法在不同輪數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活率最低，均低于50%。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法的調(diào)度效果較好，具有較高的調(diào)度活力，調(diào)度損耗較低，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，但受其隨機(jī)性影響，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的調(diào)度損耗問(wèn)題，因此本文基于遺傳算法設(shè)計(jì)了一種全新的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)調(diào)度方法的調(diào)度效果較好，調(diào)度活力較高，能有效降低數(shù)據(jù)調(diào)度損耗，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化做出了一定的貢獻(xiàn)。