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无线传感网络通信延迟快速消除方法仿真 第34卷第3期计算机仿真xx年3月10069348 (xx)03027304无线传感网络通信延迟快速消除方法仿真陈嵩，王怡(福建师范大学现代教育技术中心，福建福州350117)摘要影响无线传感网络通信传输性能的主要原因之一是网络延迟，因此，需要进行网络通信延迟快速消除。 但是采用当前方法进行网络通信延迟消除时，难以及时进行信息传送和处理，存在抗延迟性能较差的问题。 为此，提出一种基于粒子群优化的无线传感网络通信延迟快速消除方法。 该方法先计算出传感器节点发送与接收单位比特的数据所消耗的能量，得到节点在一轮数据收集过程中的能量消耗量，给出从第一个节点死亡到全部节点死亡过程中网络延迟的变化规律，利用得到无线传感网络第一个节点死亡前的网络延迟量，计算出无线传感网络最大网络延迟，给出无线传感网络通信延迟优化目标函数，结合粒子群优化思想对目标函数进行优化，将惯性权重线性递减策略与动态加速常数自适应策略加入粒子寻优过程中，由此完成无线传感网络通信延迟快速肖除。 仿真结果表明，所提方法能够大幅度提升通信信息传送和处理效率，可有效地延长网络的生命周期。 关键词无线传感网络；通信延迟；快速消除TN9295B Simulation ofFast Eliminationof Communication Delayin Wireless SensorNetworks CHENSong，W ANGYi(METC ofFujian NormalUniversity，Fuzhou Fujian350117，China)ABSTRACTThis articlepresents amethod forrapid elimination of munication delay inwireless sensorwork basedon particle swaYYnoptimization(PSO)Firstly，the energyconsumed bysending andreceiving unitbit dataof sensornode isworked out and theenergy consumptionof nodeduring around ofdata collectionis obtainedThe changerule ofwork delayfrom deathof first node toall nodesis givenoutandthe obtainedwork delaybefore firstnodedeath isused towork outmaximum workdelayThen，the objectivefunction ofmunication delayoptimization isprovided andthe objectivefunction integratedwith PSOis optimizedFinally，the lineardecreasing strategy ofinertia weightand adaptivestrategy ofdynamic aelerationconstant oreadded intothe particle optimization，and thusthe rapideliminationofmunicationdelayis eompletedSimulation resultsshow thatthe methodcan improve transferand treatmentefficiency ofmunication informationby alarge marginIt canprolong lifecycle ofworkKEYW ORDSWireless SensorNetwork；Communication Delay；Rapid Elimination1引言随着无线通信技术、以及计算机技术等前沿技术的飞速发展，使功耗低、整体感知能力强的无线传感网络得到了快速发展1。 无线传感网络是以大量分布在多维空间中的传感器节点为系统构成基础，具有适应能力强数据处理容错性高等特点，被广泛应用于国防军事、国家安全以及交通管理等多种通信应用领域，具有十分广阔的应用前景_2。 但是，在实际网络通信过程中，由于无线传感网络通信节点能xx1226量有限带宽和延迟是影响无线传感网络通信系统性能的重要因素_3。 因此，如何有效消除无线传感网络通信中的延迟以提高系统的性能延长网络的生命周期已成为无线网络通信领域相关专家学者研究的热点，受到了广泛关注_5。 现阶段应用性较强的无线传感网络通信延迟快速消除方法有文献6提出一种基于延迟控制的无线传感网络通信延迟快速消除方法。 该方法先计算出无线传感网络通信传输所需的最小节点数目，针对无线传感网络路由的能量消耗问题，在传感器节点的链路规划上考虑了在一定能量损耗阈值条件下的最短节点路径。 该方法在实现网络通信传输能量优化上具有一定的优势，但存在延迟控制效果较差的问273题。 文献7提出一种基于图解思想的无线传感网络通信延迟快速消除方法该方法将网络节点视为能量销售员，通过融合于图解理论获得网络源节点与中继节点之间的最优功率分配解决策略，并依据功率最小化原则选取最优中继节点，由此延长网络生命周期。 该方法能够在一定程度上节约网络能量消耗。 但存在网络通信延迟效率低的问题。 文献f81提出一种基于蚁群的无线传感网络通信延迟消除方法。 该方法先计算出无线传感网络通信后的节点剩余能量，建立无线传感网络通信延迟快速消除模型，在此基础上结合蚁群优化思想对该模型进行求解，给出通信延迟快速消除适应度函数，利用该适应度函数完成对无线传感网络通信延迟快速消除。 该方法能够有效减少无线传感网络能耗，但存在网络可靠性较差的问题I9。 针对上述问题，提出一种基于粒子群优化的无线传感网络通信延迟快速消除方法。 实验结果表明，所提方法能有效减少网络通信能耗，延长网络生命周期，并提高网络可靠性。 2无线传感网络通信延迟快速消除原理在对无线传感网络通信过程延迟快速消除过程中，先获取通信数据包通过链路上处理域总的通信量，计算出链路上处理域的数据包平均到达速率，得到无线传感网络链路上处理域的能耗函数，由此组建无线传感网络通信能耗优化模型，结合粒子群优化算法对该模型进行求解，由此完成无线传感网络通信延迟快速消除，具体过程如下所述用有向图G(V，E)表示一个给定的无线传感网络，其中和E分别代表无线传感网络节点集和有向链路集，设网络节点iV的邻域节点集为=E；i,j E V，令无线传感网络中一个从源点s到终点d的请求数据包通信量为，速率为A，无线传感网络通信数据包通过链路e，的总通信量用，表示，无线传感网络通信数据包通过链路e的速率用A表示，令c代表网络链路e上链路带宽容量，令Y代表通信路由指示变量无线传感网络节点i发送到终点d的请求数据包选取节点作为下一跳节点，则无线传感网络通信数据包通过链路e上的处理域总通信量，利用式(i)进行表示=()，；l厂) (1)V dd同理，可得无线传感网络链路上的处理域的数据包平均到达速率A为A=(y) (2)EVdd令?代表无线传感网络链路e上处理域运行在工作状态S的总时间，则总的传输运行时间可表示为 (3)式中，M代表处理域中工作状态种类。 令(A，m)代表无线传感网络链路e0上处理域在单位时间内运行状态S的概率，则在总的传输运行时间To，内处-274-理域以状态S运行的总时间利用式 (4)进行表示t，(A，m) (4)因此，无线传感网络链路e，上处理域的数据包总通信量为(，)=(To(A，m)m=O m=0 (5)圳(rm(A，m)式中，rm代表各种工作状态相对应的传输速率。 假设，(A，)代表处理域在单位时间内平均切换工作状态的次数，P代表额外开销的功耗，6代表平均切换一次所需的额外时间，则处理域在总传输运行时间内切换工作状态的次数为，(A)，额外开销的时间为t=，(A)6，则利用式 (6)给出无线传感网络链路e上处理域的能耗函数E=(P)+at (6)为实现无线传感网络总能耗最小的优化目标，利用式 (7)组建无线传感网络通信能耗优化模型r ainnize(E)A i，ENi磊一磊l f,t,V s,d，,diN，一IEN|E一fsn1ft式中，c，代表无线传感网络链路e上的最大带宽容量，流人节点i的数据包通信量等同于流出该节点的数据包通信量。 以式 (7)给出的通信能耗优化模型为基础，结合粒子群优化算法对能耗优化路由模型进行求解，由此完成无线传感网络通信延迟快速消除。 3基于粒子群优化的通信延迟快速消除方法31无线传感网络通信数据量、能置与延迟分析在进行无线传感网络通信延迟快速消除过程中，先计算出传感器节点发送与接收单位比特的数据所消耗的能量，得到节点在一轮数据收集过程中的能量消耗量，给出从第一个节点死亡到全部节点死亡过程中网络延迟的变化规律，计算出无线传感网络最大网络延迟，给出无线传感网络通信延迟优化目标函数，具体过程如下所述假设，C和C，代表由传感器节点发送质量决定的参数，d代表节点的发送距离，F代表与设备相关的电路能量消耗参数，利用式 (8)给出无线传感网络节点发送比特的数据所消耗的能量fE=(Fb)z+(C(2一1)b)d21if ddo式中，b代表每码包含的bits位数，则节点接收f比特数据所消耗的数据量为E，(Fb)f (9)假设，代表节点距离sink的距离，处于角度为0的无线传感网络图A区域内，r代表网络节点的发射半径，则利用式 (10)给出网络节点承担的通信数据量s=DApxdd触=(+1)十(1+z)r)2x(1O)其中，z代表为使+z，刚好小于R的整数，代表A区域需要发送的通信数据包个数，代表A区域的宽度，d珊代表A“区域内与sink连线的夹角的弧度，pxd d代表位于d。 ，d2内处的一个小区域内的节点数量。 假设，d，d代表无线传感网络的死亡区域，总能量为Eoxd d，则利用式 (11)给出网络节点发送一个数据所需的能量E=(Fb)Z+(C(2一1)b)d。 Z (11)式中。 o的取值依据是否满足条件d (12)可得能够转发网络通信数据的周期，即无线传感网络寿命【d1d1mr(R一d) (13)式中，检测区域为一半径为R的圆形区域。 节点部署密度为P，依据式 (14)计算出在此节点处的无线传感网络最大网络延迟t5u=s(6A) (14)x式中，A代表网络节点的码速率，“=6A代表网络节点的数据转发速率。 可近似表示为=r+Yf0 (15)进行计算d Skr+y(bA)I kE0，?， (15)则此通信数据所经历的整个无线传感网络延迟量为d=I+)， (16)=O=0由式 (16)可知，无线传感网络延迟为从任意节点传送到sink的路径上各个节点延迟的累加无线传感网络延迟优化的目标就是使无线传感网络中的最大延迟r小于应用的延迟需求r，利用式 (17)给出无线传感网络通信延迟优化目标函数rlntxfira)tmxi)F732无线传感网络通信延迟快速消除方法在进行无线传感网络通信延迟快速消除过程中，以31节获得的无线传感网络通信延迟优化目标函数为依据，结合粒子群优化思想对目标函数进行优化，将惯性权重线性递减策略与动态加速常数自适应策略加人粒子寻优过程中由此完成无线传感网络通信延迟快速消除，具体过程如下所述将粒子群空间中的一个粒子视为无线传感网络通信延迟优化方案，各个粒子的位置向量可由全部网络节点位置表示X=1，)，l，zl，2，Y2，2，?，y，z (18)式中，Y，(i=1，2，?，)代表第i个节点的位置坐标其取值范围由无线传感网络布置空间的大小和约束条件决定，无线传感网络通信延迟优化的目标要求最大，利用式 (19)进行表示=wt(A+p) (19)式中，日代表搜索空间高度的分层数量，W代表搜索空间各高度层权重系数，A、0和P分别代表第z个高度层上搜索无线传感网络的数据资源，利用系数、空间叠层覆盖系数、搜索区域覆盖系数和搜索概率覆盖系数，(，?，)为均值，对种群中的粒子i(i=1，2，?，m)随机初始其位置和速度，利用式 (20)确定粒子，的最优位置P1(t+1)f()蜀()P，(t) (20)式中，(X，(t+1)代表在t+1次迭代过程中粒子，(，=1，2，?，m)的位置向量，P，(t)代表t次迭代过程中粒子，ff g当前最优位置厂代表粒子适应度最优值，在第t次迭代过程中，粒子全局最优位置P(t)利用式 (21)进行确定Ps()=P，()，P2(。 )，?，Pm()，()f21=maxf(P。 (t)，(t)，?，P(f)粒子群中的各粒子根据群体历史最优位置和自身的历史最优位置更新自身的位置和速度，利用式 (22)进行表示f口，J(t+1)=w(t)v，J(t)+cl(t)r1J(t)(P(t)一()+c2(t)()(P()一(t) (22)、，(t+1)=戈玎(t)+，J(t+1)式中，代表第J(J=1，2，?，n)维，z(鱼)代表迭代次数，r J和，J代表区间0，1内相互独立的随机数，(t)代表在第t次迭代过程中粒子的惯性权重，C和c，代表粒子加速常数，P(t)代表，维各粒子的最优位置值。 4仿真结果与分析为了证明本文提出的基于粒子群优化的无线传感网络通信延迟快速消除方法的综合有效性，需要进行一次仿真，根据节点有效通信半径，在一个200mx200m的区域内，随机生成具有300个节点的拓扑结构，节点最大通信距离为4O，设无线传感网络中通信传输的所有数据帧大小相同为64kB，通信带宽为256kbps。 分别利用粒子群优化方法和模拟退火遗传方法进行无线传感网络通信延迟快速消除实验。 将2种不同方法进行275无线传感网络通信延迟时间(s)对比，对比结果用图1进行表示。 0500450400350-30差025域020015010005004080lxx0200网络范围m图1不同方法无线传感网络延迟时间对比图分析图1可知，随着节点数量的不断增加，粒子群优化方法在无线传感网络通信延迟方面具有较好的表现，随着网络节点数目的增加，网络延迟时间并无较大的变化，这主要是由于无线传感网络节点存活率相对较高，通信数据传输可选取的节点较多，在通信数据传输量较大时可选择最优路径，不会因通信数据量过大而造成阻塞，使得粒子群优化方法网络延迟时间较短。 分别利用粒子群优化方法和模拟退火遗传方法进行无线传感网络通信延迟快速消除实验。 将2种不同方法进行无线传感网络寿命(S)对比，对比结果用图2进行表示。 304050607080实验时闻日图2不同方法无线传感网络寿命对比图分析图2可知，利用粒子群优化方法对应的网络寿命要长于模拟退火遗传方法，这主要是因为模拟退火遗传方法在无线传感网络节点能量均衡方面的考虑不够周全，大量通信数据利用同一传感器节点进行传输，使得关键性传感器节点过早失效而粒子群优化方法能够有效均衡各传感器节点的能耗，有效地延长了节点的生命周期，使得无线传感网络寿命较长。 分别利用粒子群优化方法和模拟退火遗传方法进行无276线传感网络通信延迟快速消除实验。 将2种不同方法进行无线传感网络通信传输能耗(J)对比，对比结果用图3进行表示。 0408O120l60200网络范围，m图3不同方法网络通信传输能耗对比图分析图3可知，利用粒子群优化方法进行无线传感网络通信传输能耗要低于模拟退火遗传方法，这主要是因为利用粒子群优化方法先给出无线传感网络通信延迟优化目标函数，结合粒子群优化思想对目标函数进行优化由此完成无线传感网络通信延迟快速消除，使得利用粒子群优化方法进行无线传输网络通信传输能耗最小，从而保障了粒子群优化方法进行无线传感网络通信延时快速消除的综合有效性。 5结论针对当前方法进行网络通信延迟消除时。 难以及时进行信息传送和处理存在抗延迟性能较差的问题。 为此，提出一种基于粒子群优化的无线传感网络通信延迟快速消除方法。 实验结果表明，所提方法能有效减少网络通信能耗，延长网络生命周期，并提高刚络可靠性。 参考文献1王章静，张琦，罗俊海无线传感网络通信优化仿真分析J计算机仿真，xx，31 (1)282285f21黄凯，等基于整数线性规划的MPSoC通信优化策略J上海交通大学学报，xx，49 (2)1841903邸珩烨多径分量噪声干扰下无线电扩频通信优化技术J智能计算机与应用，xx，6 (2)1001034金鑫，娄文忠，王辅辅基于Ad Hoe无线传感刚络的三维智能组网优化算法设计研究J兵丁学报，xx，36 (5)8748785高正九，等基于任务分类的延迟调度算法J计算机系统应刖，xx，23 (9)139143f6朱萍基于级联信号延迟消除算法的快速指定次谐波提取J电气自动化，xx，38 (3)78817王振宇，高东健4G移动通信系统的无线网络优化J中国新通信，xx，18 (16)3131(下转第356页)趵H m 86420、辨器舞姆暇酶匿姗瑚抛o骚蜒雉差和资源收益，对比结果见图3和图4。 请求到达时问8图3不同方法的资源调度误差对比2610121418请求到达时间s图4不同方法的资源调度收益对比从图3和图4中可以分析说明，利用本文方法进行图书馆电子资源利用率均衡调度的整体优越性要高于文献9方法进行图书馆电子资源利用率均衡调度的整体优越性。 5结束语针对采用当前的方法进行资源利用率均衡调度时，易产生大量的“资源能力碎片”，存在无法有效地利用资源能力问题。 提出一种基于效益均衡的图书馆电子资源利用率均衡调度优化方法。 仿真结果表明，所提方法预留精准度高，可以有效地预留图书馆电子资源能力的最佳限额。 参考文献1吴以凡，张桦，戴国骏面向多处理器资源预留的实时程序划分方法J电子学