一種基于云節(jié)點損壞小區(qū)域替代的傳感通信算法

A cloud based on a small area of the node damage replace sensor communication agreement

ABSTRACT：Cloud computing to the sensor network communication node, there will be a single cloud node communication necrosis, causing the process will be the whole distance communication according to choose other node, the selection process randomness is bigger, communication efficiency is not high. In order to improve the communication network computing clouds efficiency is proposed based on a small regional cloud automatic distance test alternative to the node network communication agreement. Through the surrounding recent node form a node can substitute the area, through the calculation small area most effective distance, choose appropriate cloud connected alternative node. Ensure that communication efficiency. The experimental results show that the method can be used to large computing clouds appear in the death of the network nodes are replacing, improve the efficiency of the node channel communications.   

KEYWORDS：Cloud computing; Node necrosis; Region distance alternative 

0引言

云計算的傳感網(wǎng)絡通信節(jié)點中，計算量巨大，隨著計算量的增加，會出現(xiàn)單個云節(jié)點由于能量耗盡造成的通信壞死，一旦節(jié)點壞死，算法會選擇一個替代節(jié)點。選擇的過程往往會根據(jù)全程路由距離選擇其他替代節(jié)點，選擇過程隨機性較大，缺少必要的約束條件，很難保證選擇到最優(yōu)節(jié)點替代節(jié)點，一旦選擇了大量的非最優(yōu)節(jié)點，會造成通信效率不高的問題。

為解決這一問題，本文提出一種基于小區(qū)域云節(jié)點自動距離檢測替代的網(wǎng)絡通信協(xié)議。通過周邊最近節(jié)點組成一個節(jié)點可替代的區(qū)域【5~6】，通過計算小區(qū)域內(nèi)最為有效的距離，選擇合適的云計算替代節(jié)點。保證通信效率。

1傳感網(wǎng)絡節(jié)點通信過程及原理

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點通信的常規(guī)方法是根據(jù)節(jié)點自身的通信標準，對相鄰分布的節(jié)點進行通信，如果1個節(jié)點通信完畢，那么建立節(jié)點間的通信連接，通知下一個節(jié)點進行通信的工作。節(jié)點分布示意圖如下圖1所示：

圖1節(jié)點分布示意圖

具體計算步驟如下：

（1）需要通信的節(jié)點與自身區(qū)域內(nèi)的相鄰節(jié)點建立連接，兩個節(jié)點需要逐個完成通信工作，方法如下；

                                  （1） 

 在上面的式子中： 

          （2）

為第i個節(jié)點在相鄰節(jié)點獲取的通信信息，為節(jié)點間的距離，表示的是誤差系數(shù)，t為更細通信需要的時間。

（2）在得到相鄰節(jié)點通信完畢的信息之后，節(jié)點需要提取其中的通信信息，完成自己的通信，方法同上。為了衡量通信對傳感網(wǎng)絡連貫性的影響，運用節(jié)點間的通信效率衡量節(jié)點的通信效率，公式為：

    （3）              

上式中，P代表單位時間內(nèi)，節(jié)點的通信次數(shù)，T為采集周期。次數(shù)越多，代表節(jié)點的通信能力越強。

通過以上原理可知，傳統(tǒng)的通信分配算法都是基于逐個節(jié)點通信完成網(wǎng)絡的通信的，在以云計算為基礎的無線網(wǎng)絡中，隨著計算量的增加，會出現(xiàn)單個云節(jié)點由于能量耗盡造成的通信壞死，一旦節(jié)點壞死，算法會選擇一個替代節(jié)點。選擇的過程往往會根據(jù)全程路由距離選擇其他替代節(jié)點，選擇過程隨機性較大，缺少必要的約束條件，很難保證選擇到最優(yōu)節(jié)點替代節(jié)點，公式1中節(jié)點不能正常選擇，那么由公式2可知，在單位時間內(nèi)，如果不能完成通信，會導致P值變小，節(jié)點的通信系數(shù)下降，網(wǎng)絡通信效率降低。

2基于云節(jié)點損壞小區(qū)域替代的傳感通信算法

2.1 能量耗盡云節(jié)點檢測與定位

傳感網(wǎng)絡中，以傳感節(jié)點為基礎組成的傳感云網(wǎng)絡，其是連接外接的接觸。一個個的云節(jié)點相互連接，協(xié)同工作。為了對云節(jié)點中的能量進行定義。將節(jié)點進行一定的區(qū)域劃分。采用當前區(qū)域劃分中最為主流的Delaunay多區(qū)域剖分算法將檢測云節(jié)點區(qū)域進行范圍劃分，這種劃分可以有效防止重復劃分，Delaunay多區(qū)域劃分算法是一種可以進行云節(jié)點區(qū)域高效劃分方法。要進行Delaunay多區(qū)域剖分應該滿足以下的一些約束： 

（1）將無線傳感網(wǎng)絡中，與失效節(jié)點相鄰的多個節(jié)點作為基礎點，將各個節(jié)點進行連線構成二維區(qū)域的多邊形區(qū)域；

（2）將包含了失效節(jié)點的多邊形區(qū)域映射在一個中心部位； 

（3）本身區(qū)域中云節(jié)點的變化不會對相鄰區(qū)域或者相隔區(qū)域中的區(qū)域云節(jié)點分布造成影響。

在上述約束下可以進行區(qū)域劃分，區(qū)域進行劃分后的云節(jié)點先驗能量定義如下： 

                             （4）

上式中，為單個云節(jié)點的勢能，是雙點勢能的體現(xiàn)，改變量主要體現(xiàn)相鄰節(jié)點之間的關聯(lián)。、是兩個權重系數(shù)，該系數(shù)決定了、先驗能量的所占比例。這兩個權重系數(shù)是正常數(shù)。上述定義下的位置為的單點基團的勢能為:                                    （5）

該式的第一項是對云節(jié)點深度的限制。在無線傳感網(wǎng)絡的運行狀態(tài)下，節(jié)點處于能量耗盡的前期較短時間的一段時間內(nèi)運動處于一個相對較小的狀態(tài)。這時不同的云節(jié)點處在一個運動變化范圍相對較小的范圍以內(nèi)。代表節(jié)點變化的深度性能值，則： 。

上式中的后兩項能夠有效進行云節(jié)點在二維坐標面的運動范圍，在能量計算范疇內(nèi)，、在一個較小的范圍內(nèi)變化。令、表示云節(jié)點在二維坐標的、坐標變化幅度值，則： 位置位于處的雙點基團勢能表示式為：             上式中，，是一個用來避免平滑的區(qū)分參數(shù)，表示不同的運動參數(shù)。

關于云節(jié)點的后驗能量可以根據(jù)如下定義得到: 

                     上式中，是一個正常數(shù)表示似然恩那個量在整個后驗能量的比例。根據(jù)后驗能量估計云節(jié)點參數(shù)即：

（6）                          上述分析中，存在多個局部的最小值點，這是一個非凸的函數(shù)，通過函數(shù)優(yōu)化的問題對能量耗盡節(jié)點進行定位與檢測保證通信正常。

2.2區(qū)域距離最小的替代方法

將能量耗盡的云節(jié)點準確定位后，在節(jié)點網(wǎng)絡范圍內(nèi)尋找可以替代該能量耗盡節(jié)點的二維區(qū)域通信節(jié)點。如果通過連接云節(jié)點，切線與能量耗盡節(jié)點所在的區(qū)域的平面的交點坐標為，云節(jié)點的區(qū)域方程式一個平面可以表示為： 

上式中，P是云點的向量，且；而則是云節(jié)點中頂點的向量表示；代表區(qū)域平面的法向量，上式可以替換為： 

                                                         （7）

將第K步時的頂點云節(jié)點與的坐標連線參數(shù)方程:

首先，

    （8）                  

其中， 0到1的取值范圍內(nèi)。代入，可得交點所在的參數(shù)為

，。（9）

代入上式，得到交點的二維坐標：

   在三角區(qū)域內(nèi)，舍去Z坐標，保留距離能量耗盡節(jié)點最近的坐標，該點的坐標可以用來代替能量耗盡節(jié)點的坐標。

2.3云節(jié)點位置修正

找到能量耗盡節(jié)點的替代點以后，對該點進行準確性分析，此時可以使用云節(jié)點修正，修正的基本思想是設置真是節(jié)點與替代節(jié)點之間的一個最大長度值，在現(xiàn)實的無線傳感器網(wǎng)絡中，替代點的松弛彈性區(qū)間一般只表示為的1.01-1.05倍。這樣的約束可以保證替代節(jié)點是否過于松弛與原節(jié)點過遠。算法步驟如下：

在每一步迭代過程中，對新節(jié)點彈性判斷，如果云節(jié)點的伸長量大于了預定的，此時將其縮減至。迭代點如果超出彈性范圍就會出現(xiàn)在下次迭代中的慣性保持，此時可以將其失效節(jié)點方向的速度進行平行清零，這樣就可以防止節(jié)點松弛的過渡累積。但是實驗仿真中發(fā)現(xiàn)使用了節(jié)點的修正在網(wǎng)絡規(guī)模較小的情況下效果明顯，但是在網(wǎng)絡規(guī)模較大的時網(wǎng)絡的修正算法性能就會明顯下降。修正算法性能下降是因為在：某個迭代時刻，任意的云節(jié)點過度拉伸后，該節(jié)點需要同時對方向和修正。如果這兩個方向值同時夾角大于90度，這樣的修正效果就會消失。

3實驗結果分析

本文的實驗仿真平臺為OMNet++仿真工具和Mobility Framework 2(簡稱MF2)。這兩個仿真模塊可以將傳感器節(jié)點隨機坐標與確定坐標進行定位，完成節(jié)點的網(wǎng)絡部署。

本文中的監(jiān)測區(qū)域為二維平面，平面坐標在200m*200m的區(qū)間以內(nèi)。WSNM基站為1，Mesh的節(jié)點數(shù)設置為5，這兩種站點的通信半徑設置為50m，MS-WSN網(wǎng)絡中的Sink節(jié)點數(shù)同樣設置為5，半徑同樣,上述兩個網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的通信半徑都設置為10m。WSNM的Mesh節(jié)點與MS-WSN的Sink節(jié)點分布在網(wǎng)絡中同時采用隨機部署，在 Sink節(jié)點的接受數(shù)據(jù)因為信息量飽和后就會將信息發(fā)送到基站。本文設置的sink節(jié)點的內(nèi)存分別為1000、2000、3000、4000個數(shù)據(jù)包的內(nèi)存容量，節(jié)點信息融合的比例為1：10。當網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點進行完全覆蓋的時候就會出現(xiàn)全聯(lián)通。圖2所示為傳感器分布圖：

圖2節(jié)點個數(shù)為100的隨即覆蓋圖

對其進行能量判斷消耗，記錄不同方法下，云節(jié)點的能力消耗。經(jīng)過仿真實驗，得到實驗結果數(shù)據(jù)見表1：

表1本文方法與WSN通信能量消耗數(shù)據(jù)

得到仿真實驗數(shù)據(jù)，在Windows XP 操作系統(tǒng)，2.0CPU，2G內(nèi)存的實驗平臺下，使用Matlab對兩種方法的通信效率變化曲線。實驗結果如圖3所示：

圖3 本文方法與MS-WSN通信效率變化曲線

從表1和圖3可以看出，在本文的算法協(xié)議支持下云節(jié)點通信效率與網(wǎng)絡性能大大強于傳統(tǒng)的MS-WSN，并且隨著節(jié)點的個數(shù)增加，補償云節(jié)點能效也大于MSN-WSN，總體曲線也優(yōu)于MS-WSN。因為本文的算法可以迅速找到替代節(jié)點來進行能量耗盡節(jié)點的信息接替。實驗結果也證明了本文算法在能耗方面的表現(xiàn)也較優(yōu)秀。同時本文實驗中的曲線也出現(xiàn)了一定的振蕩，因為節(jié)點中的Mesh節(jié)點隨機部署，這樣網(wǎng)絡處于一種非最佳的狀態(tài)，這也是本文將要進一步研究的內(nèi)容。

4結束語

本文提出一種基于小區(qū)域云節(jié)點自動距離檢測替代的網(wǎng)絡通信協(xié)議。通過周邊最近節(jié)點組成一個節(jié)點可替代的區(qū)域，通過計算小區(qū)域內(nèi)最為有效的距離，選擇合適的云計算替代節(jié)點。保證通信效率。實驗結果表明，運用該方法能夠對大規(guī)模的云計算網(wǎng)絡中出現(xiàn)的死節(jié)點進行迅速替換，提高了節(jié)點信道的通信效率。這種基于防沖突算法的多機通信系統(tǒng)能夠應用到諸多領域中，并且具有很大的商業(yè)價值。

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