考虑阴影衰落的无线网络拓扑离散优化算法.pdf
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1、435第40 卷第6 期2023年6 月机真计仿算文章编号:10 0 6-9348(2 0 2 3)0 6-0 435-0 4考虑阴影衰落的无线网络拓扑离散优化算法程楠,朱国超?(1.新乡工程学院信息工程学院,河南新乡4530 0 0;2.河南师范大学计算机与信息技术学院,河南新乡4530 0 2)摘要:阴影衰落会增加无线网络的丢包率和误码率,导致无线网络出现链路中断的现象。为了提升无线网络的抗干扰性能,提出基于离散变量的无线网络拓扑优化算法。针对阴影衰落问题,在节点逻辑距离的基础上建立路径障碍移除模型,考虑节点剩余能量对无线网络拓扑展开初步优化。将无线网络生命周期和链路开销作为无线网络拓扑优
2、化过程中的离散变量,通过设计周期休眠机制延长网络生命周期,利用链路开销函数调整节点在网络中的剩余能量,实现资源均衡,完成无线网络拓扑优化。仿真结果表明,所提算法的穴余链路数量少、网络干扰小、网络覆盖性强。关键词:路径障碍移除模型;节点剩余能量;周期休眠机制;链路开销函数;网络拓扑优化中图分类号:TP393文献标识码:BDiscrete Optimization Algorithm for Wireless NetworkTopology Considering Shadow FadingCHENG Nan,ZHU Guo-chao?(1.School of Information Engine
3、ering,Xinxiang Institute of Engineering,Henan Xinxiang 453000,China;2.School of Computer and Information Technology,Henan Normal University,Henan Xinxiang 453002,China)ABSTRACT:Shadow fading may increase the packet loss rate and bit error rates in wireless networks,leading tolink interruption.In ord
4、er to improve the anti-interference performance of wireless networks,this article put forwardan optimization algorithm of wireless network topology based on discrete variables.Aiming at the shadow fading prob-lem,a path obstacle removal model was built based on the logical distance of nodes,and then
5、 the wireless network to-pology was preliminarily optimized considering the residual energy of nodes.Moreover,the life cycle and link cost ofwireless networks were regarded as discrete variables in the process of wireless network topology optimization.Further-more,the network life cycle was prolonge
6、d by designing a periodic sleep mechanism.Finally,the residual energy ofnodes in the network was adjusted by using the link cost function,thus achieving resource balance and completing theoptimization for wireless network topology.Simulation results show that the proposed algorithm has fewer redunda
7、ntlinks and network interference as well as strong network coverage.KEYWORDS:Path obstacle removal model;Residual energy of node;Cycle sleep mechanism;Link overheadfunction;Networktopologyoptimization1引言为了保证数据在网络中的安全传输和有效应用,需要对网络拓扑结构展开优化1,2】。无线网络的底层协议是拓扑结构,拓扑结构支撑着无线网络的运行,优化无线网络拓扑结构可以提高数据在网络中传输的安全性,同
8、时降低网络能耗,因此研究无线网络拓扑优化算法具有重要意义。收稿日期:2 0 2 2-0 6-14班玉友3 等人通过负载方差和网络延时描述网络运行的负载均衡性,并将最小网络负载和时延作为目标,将成本作为约束条件,建立网络拓扑优化模型,在旗鱼优化器的基础上完成网络拓扑优化,该算法优化后网络中存在大量的穴余链路。张颖4 等人提出了一种基于FW-PSO算法的无线传感网络拓扑结构优化方法,首先,建立无线传感网络模型,利用FW-PSO算法全局搜索能力较好和收敛速度较快的优势,优化拓扑结构的动态抗毁性和静态抗毁性,实现网络拓扑优化,该算法存在网络干扰高和覆盖性差的问题。为了解436决上述算法中存在的问题,提
9、出基于离散变量的无线网络拓扑优化算法。2一种无线网络拓扑优化算法设计2.1无线网络拓扑优化模型无线网络在实际运行过程中存在的节点障碍物会导致信号衰减问题5.6 ,信号衰减过程在不可预知的情况下会发生异常,如果此时在理想模型的基础上优化无线网络拓扑,会影响网络拓扑的基本性能,包括健壮性和连通性等。在无线通信网络环境中收发设备之间可能会存在障碍物,通过衍射、吸收、散射和反射等方式障碍物会衰减无线信号在网络中的能量,即阴影衰落。阴影衰落的产生会增加无线网络的丢包率和误码率,导致无线网络出现链路中断的现象,因此在无线网络拓扑优化过程中需要考虑上述问题。当阴影衰落出现在无线网络中时,增加了链路中无线信号
10、在节点间传输的消耗7.8 。为了解决上述问题,建立路径障碍移除模型。在无线网络拓扑优化过程中,无法准确的获取损耗系数,只能通过布点环境或经验值估计。当障碍物存在于链路间时,会引起不同程度的额外能量衰减,因此每条链路在无线网络中的损耗系数mrea值表示应用状态下该条链路的通信环境,不能用同一个路径损耗系数表示网络中所有链路的真实通信状态。为了统一度量无线网络中存在的链路,路径障碍在链路中引起的额外衰减能量映射为节点之间在无线网络中的间距物理距离frea描述的是节点之间在无线网络环境中的直线距离;阴影衰落在网络链路中导致的额外能量映射为距离的增量,将其与物理距离相加即为逻辑距离fiogic。障碍物
11、在网络链路中产生的额外衰减能量通过映射处理变为逻辑距离后,此时可认为已将障碍物移除路径,设mi1gi代表的是障碍物移除后对应的损耗系数,通过下式计算路径损耗Alos(u,u)freorealAoss(1)Kfmreal0式中,(u,u)表示网络链路;f。表示参考距离;K表示信号增益,其与网络信道平均衰减情况和天线特性有关,表达式为K=/16mf(2)式中,u表示衰减系数。在式(2)的基础上获得下式frea(u,u)real16mf?Alos(u,)(3)0令q1=16m/f ral-2、q 2=16 m/f 1ogi-2,此时可将上式简化为下式Aloss(u,v)=qfreal(u,)real
12、qafiogic(u,v)logic(4)在上式的基础上获得物理与逻辑距离二间存在的关系qfrea(u,u)real)1/mlogicfigi(u,u)(5)q2分析上式可知,在无线网络中节点之间的物理距离会对逻辑距离产生影响,但在无线网络实际运行过程中,由于节点的硬件条件和环境因素,无法准确的获取节点间物理距离和路径损耗系数。因此,针对无线网络中节点之间产生的路径损耗展开计算Aloss(u,v)=lA,(u)-rss(6)式中,rss表示接收信号强度;l表示不同射频芯片针对不同的接收信号强度rss的表达形式;A(u)表示节点u在无线网络中对应的发射功率。在相同链路中存在Als(u,u)=q
13、a f i g e(u,)l g,以此为依据计算逻辑距离fioxic(u,)(lA,(u)rssfiogic(u,u)(7)92计算链路的损耗系数mlogic,将其代人上式中,获得消除路径障碍物后无线网络节点之间的逻辑距离fiogic(u,)。在不同环境中,为了使去除障碍物后的相同网络链路具有可比性,需要选择相同的损耗系数milgic。结合节点能耗模型和路径障碍移除模型实现无线网络拓扑优化,以此提高网络能量利用率、增强网络实用性。数据处理和数据感知消耗的能量低于通信能耗,因此重点考虑通信能耗9,10 设置路径损耗系数b,在通信范围内节点传输数据包产生的能耗为Rrx(l,r)Rrx(l,r)=l
14、(st+s2rb)(8)式中,s1vS2分别表示节点接收与发送电路和放大电路消耗的能量。设Rrx(1)代表的是节点在无线网络中接收数据包产生的能耗,其计算公式如下Rrx(1)=ls)(9)节点u和节点在无线网络中可通过多跳方式和单跳方式建立通信,因此在式(8)和式(9)的基础上计算节点在无线网络中的能耗R(l,r)R(l,r)=Rrx(l,r)+Rrx(l)(10)当发送范围和转发数据长度相同时,选择转发节点时需要选择剩余能量大的节点,延长节点使用寿命,提高无线网络的覆盖性和连通性。设置权重参数X、n,结合节点剩余能量和逻辑距离通过下式计算链路权值E(fiogic)BE(11)u,Dru/(r
15、+r,)(r,/R)式中,uV,表示节点u、内剩余的能量。链路权值由三个部分构成,第一部分为接收端剩余能量(r/R),第二部分为链路健壮程度ru/(r+r)*,第三部分为链路能耗(fiogic),根据链路权值选取高质量链路,完成无线网络拓扑结构的初步优化,将无线网络生命周期和链路开销作为离散变量,进一步对无线网络拓扑展开优化。2.2周期休眠机制在无线网络中选取性能良好的多个节点作为中继节点,437针对中继节点,在无线网络中设计适当的轮休部署策略1延长网络寿命:1)分割无线网络,由初始簇头节点构成集合QCH,在上述集合中挑选备用中继节点;2)度量集合QCH中的簇头节点与sink节点之间存在的距离
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