无线传感网络分簇节点节能传输实验模拟分析

徐玮玮

(徐州工程学院 实训实验室与设备管理处，江苏 徐州 221000)

0 引言

随着无线传感网络技术的发展，采用无线传感组网方法进行数据传输控制，构建无线传感网络分簇节点节能传输模型，提高数据传输的能耗开销控制能力，在采用无线传感网络进行分簇节点传输过程中，受到网络节点组网的随机性的影响，导致出现能量传输失衡，需要进行无线传感网络分簇节点节能传输控制协议设计，构建能量开销控制模型，进行节点的优化部署，相关的无线传感网络分簇节点节能传输控制方法研究受到人们的极大关注[1].对无线传感网络分簇节点节能传输实验是建立在对节点的优化部署和路由协议设计基础上，采用均衡控制方法，进行分簇节点节能传输模式下无线传感器网络的节能控制和部署，但上述方法进行无线传感网络分簇节点节能传输的自适应性不好，能量开销较大，针对上述问题，本文提出基于最优节能控制的无线传感网络分簇节点节能传输实验模拟分析方法.构建无线传感网络分簇节点优化部署模型，结合模糊特征提取方法进行无线传感网络分簇节点节能传输过程中的最优特征量提取，实现网络分簇节点节能传输的优化控制和自适应均衡调度，最后进行仿真实验分析，展示了该方法在提高无线传感网络分簇节点节能传输能力方面的优越性能.

1 无线传感网络节点优化部署和能耗分析

1.1 无线传感网络节点优化部署

为了实现分簇节点节能传输模式下无线传感器网络的优化传输，构建无线传感器网络的节能传输控制模型，构建无线传感网络分簇节点优化部署模型，建立路由均衡控制下的无线传感网络分簇节点节能传输低能耗调度的信道均衡模型[2]，进行无线传感网络分簇调度过程中的衡加权调节，得到无线传感网络分簇节点的加权函数为：

z(i,d)=xr1+F*(xr2-xr3).

(1)

其中F为无线传感网络分簇传输的扩频因子，构建多跳路由传输信道模型，采用能量均衡调度方法，进行分布式协同调度，得到无线传感网络的能量均衡控制的协同调度集{S1,S2,…,SL}，采用最短路径寻优方法进行传感器网络节点的分组转发控制协议设计[3]，得到两个节点之间的自适应链路均衡控制的特征值TS(u)=max(TS(v)+1,TS(u))，定义跨层链路节点传输序列为：

(2)

(3)

其中，fij表示网络传递的均衡率.全网络能量均衡拓扑方式进行分簇节点节能传输过程中的综合评价，得到能量均衡控制的评价值Ei，无线传感器网络的能量估计矩阵为：

(4)

在第k个时间窗口中，进行无线传感器网络的能量传输控制，得到时隙分布为：

(5)

其中，si(t)为无线传感网络能量消耗特征量，xm(t)为无线传感网络分簇节点的输出比特序列，根据上述分析，构建无线传感网络分簇节点分布模型，如图1所示.

图1 无线传感网络分簇节点分布模型

1.2 低能耗调度信道模型及能耗开销分析

采用自适应均衡的路由转发控制协议实现无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，提取无线传感网络节点传输的相干性特征值[4]，在无线传感通信网络传输信道中，采用等效全网络能量调度方法，构建信道传输模型为：

(6)

采用无线自组网络的通信协议，构建无线传感网络分簇节点传输的相干性特征检测模型[5]，得到传感器组网传输的能量开销为：

(7)

其中{x(i,d),z(i,d),u(i,d)}分别为多跳路由转发次数和信道的带宽，表示为{xi,zi,ui}的第d维分量，CR为最优能量覆盖集，rni是随机整数，簇内节点发送数据的能量开销估计值为：

(8)

基于两跳邻居节点的能量开销反馈均衡调节修正方法，进行无线传感网络能量均衡控制，构建能量开销均衡调度模型[6]，得到无线传感器网络节点传输控制的协同特征量满足i∈Ss，引入最大竞争半径，可以得到：

(9)

采用空间均衡调度方法进行网络传输协议模式构建[7]，得到无线传感网络分簇节点的阈值调度模型满足：

(10)

采用比特序列均调度方法，进行无线传感器网络节点分簇调度，对含有n个样本，其中样本xi，i=1,2,…,n在无线传感网络节点，得到输出比特序列流为：

(11)

式中，amn称为第j+1层数据传输的能量幅值，gmn(t)为网络节能传输的统计平均值，n(t)为干扰分量，调假设网络中各簇首节点的能耗系数是εmp，簇首节点构成簇首节点集C={CHi|1≤i≤N}，单位能耗传输码片的时间为：

Tc=ent(Tf/Nc).

(12)

在最小接收功率约束下，采用自适应均衡的路由转发控制协议实现无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，输出的统计时间序列满足cjTc

2 无线传感网络分簇节点节能传输优化

2.1 无线传感网络分簇节点节能路由探测协议

在上述构建无线传感网络分簇节点优化部署模型的基础上，进行无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，本文提出基于最优节能控制的无线传感网络分簇节点节能传输实验模拟分析方法.建立路由均衡控制下的无线传感网络分簇节点节能传输低能耗调度信道模型，采用自适应均衡的路由转发控制协议实现无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计[9]，分簇节点接收到的特征序列为x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)为无线传感网络分簇节点传输的离散时间序列，0≤n≤N-1，则数据传输的高频分量x的离散傅里叶变换(DWT)定义如下:

(13)

其中0≤k≤N-1，表示无线激光传感器数据的长度，设信号x(n)经离散正交小波变换后，用X=DFT{x}表示无线传感网络分簇节点节能传输的带宽，采用适应度函数作为无线传感网络分簇节点节能传输的控制目标函数，结合输出有效性调节方法，进行无线传感网络分簇控制，得到最优控制函数表示如下：

fij=wtδt+wcδc+wqδq+wsδs.

(14)

其中wt+wc+wq+ws=1，t代表网络中簇首节点的采样时间间隔，c代表无线传感器节点传输的开销代价(cost)，q代表数据访问的质量(quality)，网络中簇首节点的能量开销SINR<γth，自适应均衡调度的控制迭代方程为：

(15)

在路由冲突下得到无线传感网络分簇节点传输的能量损耗模型[10]，得到无线传感网络分簇传输的能量属性分布为：

(16)

对剩余活动节点能量消耗进行反馈调节，自适应调节系数描述如下：

v(t+1)=ωv(t)+φ(p-x(t)).

(17)

x(t+1)=x(t)+v(t+1).

(18)

对于CHi(i∈C1)，区域转换的特征分布系数为：

φws(s,τ)=|χws(s,τ)|2.

(19)

式中：

(20)

根据上述分析，进行无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，提高节能传输能力.

2.2 网络分簇节点节能传输

结合模糊特征提取方法进行无线传感网络分簇节点节能传输过程中的最优特征量提取，无线传感网络分簇节点调度的执行时间定义为：

(21)

在云计算平台中，进行无线传感网络分簇节点节能传输低能耗调度，得到节能调度的控制模型表达为：

(22)

构建无线传感网络分簇节点节能传输中的RTTs防冲突任务协议，建立路由均衡控制下的无线传感网络分簇节点节能传输模型，得到能量均衡特征分布集满足：

(23)

V={vij|i=1,2,…,c,j=1,2,…,s}.

(24)

假设网络中有N个簇首节点，建立分簇节点节能传输的优先任务集合P(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}，求得优先级属性，得无线传感器网络区域覆盖的模糊迭代方程为：

(25)

结合模糊特征提取方法进行无线传感网络分簇节点节能传输过程中的最优特征量提取，实现网络分簇节点节能传输的优化控制和自适应均衡调度.

3 仿真实验与结果分析

为了测试所提方法在实现无线传感网络分簇节点节能传输中的应用性能，结合Matlab进行仿真试验分析，节点的发射功率范围为120 kW-200 kW，对传感器节点的采样的时间间隔为1.46 s，最优节能控制系数为0.13，簇首节点的发射功率为20 kW，节点的传输半径为100 m，功率密度Pe=0.12，Pd=0.53，其它参数设定见表1.

根据上述参数设定，进行无线传感网络分簇节能传输控制，得到传输数据如图2所示.

表1 实验参数设定

图2 无线传感网络分簇节能传输数据

采用自适应均衡的路由转发控制协议实现无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，提取无线传感网络节点传输的相干性特征值，实现节点的节能传输控制，得到输出能效开销如图3所示.

图3 不同参数约束下的无线传感网络的能效测试

分析图3得知，采用该方法进行网络分簇节点节能传输的自适应能量均衡性较好，数据转发的成功率较高，具有很好的节点数据收发控制和节能传输能力.

4 结语

进行无线传感网络分簇节点节能传输控制协议设计，构建能量开销控制模型，进行节点的优化部署，提出基于最优节能控制的无线传感网络分簇节点节能传输实验模拟分析方法.建立路由均衡控制下的无线传感网络分簇节点节能传输低能耗调度的信道均衡模型，采用自适应均衡的路由转发控制协议实现无线传感网络分簇节点节能路由探测协议设计，基于两跳邻居节点的能量开销反馈均衡调节修正方法，进行无线传感网络能量均衡控制，

在路由冲突下得到无线传感网络分簇节点传输的能量损耗模型，实现网络分簇节点节能传输的优化控制和自适应均衡调度.