基于小世界特征的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化

時(shí)間：2021-10-17 22:27:38

關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)鋬?yōu)化小世界特征

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[導(dǎo)讀]摘要：針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的能量消耗問題，在基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)小世界特征基礎(chǔ)上，通過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增加超級(jí)節(jié)點(diǎn)，并在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間建立超級(jí)鏈路，提出一種具有小世界特征效應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)模型。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的視角計(jì)算分析了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署超級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量效率的影響。仿真研究結(jié)果顯示，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中適當(dāng)增設(shè)少量超級(jí)節(jié)點(diǎn)，可大幅減少網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度，明顯改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，同時(shí)極大地提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能比率。

0 引言

經(jīng)典的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論已經(jīng)證明：小世界效應(yīng) 在社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在[1,2]。小世界現(xiàn)象的本質(zhì)特征是具有小的平均路徑長(zhǎng)度和大的集聚系數(shù) [3,4]。小世界特征普遍存在于如計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、科學(xué)家合作網(wǎng)、社會(huì)關(guān)系網(wǎng)等現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)小世界理論還廣泛存在于電力網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中[5,6]。真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)可以分為關(guān)系網(wǎng)絡(luò)與空間網(wǎng)絡(luò)兩大類。在關(guān)系網(wǎng)絡(luò)（Relation Network）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)之間的連接與節(jié)點(diǎn)距離和位置無關(guān)，節(jié)點(diǎn)之間的距離以跳數(shù)來計(jì)算；空間網(wǎng)絡(luò)（Spatial Network）節(jié)點(diǎn)之間的連接與節(jié)點(diǎn)之間的距離和位置緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究通常都將社會(huì)關(guān)系或者技術(shù)網(wǎng)絡(luò)抽象為關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，屬于關(guān)系圖的范疇；無線 Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其傳輸半徑的限制，是空間網(wǎng)絡(luò)，屬于空間圖的范疇?？臻g網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與連通性及傳輸半徑緊密相關(guān)。

小世界特征是指網(wǎng)絡(luò)較小的平均路徑長(zhǎng)度和大的聚類系數(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間采用無線多跳方式傳輸數(shù)據(jù)，引入小世界特征可以降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信開銷，并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，從而延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的生存時(shí)間[7-11]。張 [12] 等選擇性地刪除一些邊，基于匯聚節(jié)點(diǎn)建立捷徑，交替進(jìn)行，直到兩個(gè)小世界特征達(dá)到最優(yōu)。周[13] 等基于小世界與能效提出了一種容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法。Nardis[14] 等設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)選舉簇頭，簇頭之間動(dòng)態(tài)建立捷徑，生成具有小世界特征的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良性能。

根據(jù)傳感網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的不同，部署方式可以分為確定性部署和隨機(jī)部署兩類。在監(jiān)測(cè)范圍小且人類方便到達(dá)的應(yīng)用環(huán)境如車間、醫(yī)院、商場(chǎng)中，可以預(yù)先確定傳感器節(jié)點(diǎn)的位置并手工部署在確定位置上。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或在環(huán)境惡劣危險(xiǎn)的場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，如湖泊、沼澤、沙漠、戰(zhàn)場(chǎng)、疫區(qū)等，通常采用隨機(jī)播撒方式。本文在無線傳感網(wǎng)中引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的小世界特征，結(jié)合確定性部署和隨機(jī)部署方式，在隨機(jī)部署的基礎(chǔ)上，確定部署少量具有更高能量、更強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，在超級(jí)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立超級(jí)鏈路形成直接通信的可靠捷徑，從而構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)小世界效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型。

1 小世界效應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常傳感器節(jié)點(diǎn)一旦部署，位置便相對(duì)固定，且需長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)如森林火災(zāi)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文采用的網(wǎng)絡(luò)模型為 N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署在一個(gè) XY 的長(zhǎng)方形區(qū)域 Z內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布在交叉點(diǎn)上，為了避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常改變，假定所有傳感器節(jié)點(diǎn)一旦部署位置固定，且這些節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，具有相同的能量和相同的通信半徑，并知道自己的位置信息，位置采用平面坐標(biāo)（x，y）標(biāo)記，其中 0 ≤ x≤ X－ 1，0 ≤ y≤ Y－ 1。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬善矫?Mesh結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。