即时通信网络中路由节点覆盖控制优化方法

安华萍，李龙亮

(1.河源职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 河源 517000；2.华为技术有限公司，广东 深圳 518129)

路由器属于无线传感器网络中的一部分，由众多网络节点组成，通过这些路由节点，即可部署出一个即时通信网络[1]，因此国内外都在积极研究路由节点.国外对路由节点研究已久，并在20世纪前就成立路由节点研究工作组，对路由节点进行研究，并将路由节点应用在军事当中，形成路由节点数，只能给军事指挥中心发送探测信息和数据流，不具有路由节点间的相互通信能力.此后国外愈加重视路由节点，对路由节点的功能进一步开发，提出路由项目，并在各大学成立路由研究小组，和公司一起研究开发，制定关于路由节点的重要计划和战略[2].与国外相比较，国内对路由节点的研究较晚，在20世纪后，才成立路由节点研究小组并资助研究人员对路由节点的研究.在随后的几年内，实现路由节点覆盖检测技术，并安装在飞行器上，收集飞船飞行过程中的数据，研发路由的WSN节点感知模型，研究分析特定情况下的路由节点感知能力及其形成的网络性能[3].在文献[4]中，提出了基于三角形计算的路由节点覆盖控制方法，这种方法在计算过程中，一旦网络的最大感应半径大于网络传输通信半径时，网络的连通性难以得到保证.在文献[5]中，提出了基于遗传算法的路由节点覆盖控制方法，却未曾考虑在实际感知中网络所感知范围是处于不规则状态，而这种状态会给路由节点覆盖质量带来影响[4-5].因此研究即时通信网络中路由节点覆盖控制优化方法具有一定的现实意义.

1 研究即时通信网络中路由节点覆盖控制优化方法

1.1 分析路由节点信号传播特性

路由在传播信号过程中，所存在的障碍物可能会导致路由信号在传播过程中产生不同程度的信号衰减，导致路由节点信号传递出现损耗，最终传递出的网络信号出现缩短、不准确等问题，而不同的障碍物对路由节点信号所产生的信号反射、散射和衍射也存在区别[6].因此假设路由节点发射端信号，在传递信息过程中所发生的与距离相关的损耗称为路径损耗，且在接收路由信号的过程中，接收信号的一端与发射信号的一端距离越远，所产生的路径损耗越大，并且在这一过程中，呈现出对数衰减变化[7].所以设接收信号端与发射信号端的距离为d，路由节点成功接收到的信号功率(dBm)为P(d)，路由节点的最大传输距离为d0，路由信号节点在d时，信号发送功率为P0，则有：

(1)

式中，η为路由节点传递信号路径损耗系数；X0为零均值的高斯分布随机变量.根据式(1)，即可得到路由节点传送信号的最大距离，以及在信号传送过程中产生的损耗，从而确定路由节点的位置，将路由节点覆盖在通信网络中[8].

1.2 确定路由节点位置

1.2.1 部署锚节点

将即时通信网络划分成大小均等的区域，并在这个区域当中，设定一个通信阈值[9].与此同时，将路由节点的通信范围限制在一定的区域内，降低路由节点的通信量，从而避免路由节点通信损耗，如图1所示.

图1 锚节点部署

图1中，“o”表示锚节点，“*”表示位置节点.根据上述即时通信网络划分内容，将即时通信网络看成如图1所示的“10×10”网格，并按照图中的虚线，将网格划分成4个大区域，按照实线，将网格划分成100个小区域.根据区域位置，在每个大区域内，布置一个锚节点，其他未知节点“*”是通过飞机间隔每几秒进行空投位置节点，从而得到图1中的锚节点部署图，根据预设的锚节点部署图，即可计算路由节点最优距离[10].

1.2.2 计算路由节点最优距离

将图1中的锚节点部署图放置在二维空间当中，采用三边测量法，计算路由节点之间的距离[11],如图2所示.

图2 三边测量计算图

图2中，U(x,y)表示未知节点,B1(x1,y1)、B2(x2,y2)、B3(x3,y3)表示3个锚节点，当3个锚节点B1(x1,y1)、B2(x2,y2)、B3(x3,y3)到未知节点U(x,y)的距离分别为图2中的d1、d2、d3时，则有：

(2)

将(2)式转换成位置矩阵，计算未知节点U(x,y)，则有：

(3)

1.3 路由节点覆盖

1.3.1 评估路由节点覆盖性能

在确定路由节点距离后，还需评估路由节点覆盖性能，才可以在即时通信网络覆盖路由节点，从而计算路由节点的覆盖率和覆盖密度[13].当即时通信网络中所布置的路由节点稀疏时，设即时通信网络实际覆盖总面积为B，待覆盖总面积为C，则有：

(4)

式中，A表示路由节点覆盖率.此时还需计算路由节点的覆盖密度，即时通信网络区域中的任意一点K，都能被k个路由器节点所感知，此时的k表示路由节点覆盖度的值，且k≥1[14].当路由节点完全覆盖即时通信网络时，需要计算路由节点在即时网络覆盖中的连通性，确保路由节点之间具有通信能力.

1.3.2 计算路由节点覆盖连通性

在路由节点全面覆盖后，只有路由节点之间具有良好的连通性才能完成即时通信网络所具有的基本功能[15].因此需要计算此时路由节点覆盖后的连通性，是否符合即时通信网络的需求.然而由文献[16]可知，路由节点数量的增加会增加网络的连通概率，所以，在计算路由节点覆盖连通性之前，假设即时通信网络初时仅有一个孤立的路由节点，当不断增加节点通信半径时，节点的通信链路数量也会随之增加[16].基于式(4)，对路由节点覆盖率计算式可知，当路由节点满足其覆盖最小节点度k时，此时路由节点会覆盖在即时通信网络中，形成一个k度网络连通图，且当移走任意一个路由k-1节点后，即时通信网络依然会处于连通状态，不会影响即时通信网络信息的传递，此时也可将即时通信网络称为k度网络连通图[17].因此设即时通信网络为G，最小节点度为bmin，路由所有节点为P，路由所有节点的覆盖面积为C，则有：

P(C)=P[bmin(C)>0]，

(5)

当式(5)成立时，路由节点即可全面覆盖在即时通信网络中.当式(5)中的P[bmin(C)>0]具有实际意义，且无限趋近于1时，可以得到路由节点之间连通率的极限值[18].则有：

(6)

式(6)中，n为常数；p为路由所有节点中的一个，即p∈P；AP为路由节点p的有效通信面积.此时将式(5)和式(6)联立，则有：

(7)

式(7)中，∀p∈G为任意一路由节点p，均属于即时通信网络G.此时则有：

P(C)=P[bmin(C)>0]=(1-e-nAP/Ω)，

(8)

当式(8)成立时，得到的P(C)即是覆盖在即时通信网络上路由节点的有效连通率.综上所述，即可优化路由节点覆盖控制.

1.4 路由节点覆盖控制优化

由图1中给出的锚节点部署方式，将即时通信网络中部署的路由节点构成一个S集合，且在集合S中，所有路由节点的有效覆盖面积为E(C)，当即时通信网络处于极端环境下，所部署的路由节点集合为空时，则有：

(9)

此时即可根据式(9)，得到即时通信网络在部署路由节点不为空时的网络覆盖率，则有：

(10)

根据式(10)，可以看出在即时通信网络中，覆盖路由节点时，并不是所有路由节点都可以发挥出自身感知，存在路由节点覆盖浪费现象，形成如图3所示的即时通信网络覆盖图[19].

图3 即时通信网络覆盖图

从图3中可以看出，路由节点覆盖在即时通信网络中，可以将即时通信网络分为区域Ⅰ和区域Ⅱ，即内区域和外区域两部分.路由节点覆盖在区域Ⅰ和区域Ⅱ上，会形成感应圆周，与圆周的边界交点分别为A和B，D点为路由节点p到区域Ⅱ的交点，C点为路由节点p到区域Ⅱ外的一点，为此时部署路由所有节点P，且节点P的感知半径为rs，会出现图3所示位置，则有：

E(C)=P(ΩΙ)E(CΩΙ)+P(ΩⅡ)E(CΩⅡ)，

(11)

式(11)中，P(ΩΙ)为节点P在区域Ⅰ的概率值；P(ΩⅡ)为节点P在区域Ⅱ的概率值；E(CΩΙ) 为节点P在区域Ⅰ的覆盖期望值；E(CΩⅡ)为节点P在区域Ⅱ的覆盖期望值.因此可以将式(11)中的节点P分为两种情况，分别计算节点P在区域Ⅰ和区域Ⅱ覆盖面积，则有：

(12)

此时可根据图3，计算路由节点p在即时通信网络中的感知区域，则有：

(13)

此时将式(11)和式(13)，则有：

(14)

经(14)式计算，得到的E(C)即为路由节点在即时通信网络中最优覆盖控制区域.此时路由节点覆盖后，控制路由节点时所需能量最少，布置的路由节点最少，且属于路由节点最大限度的感知范围，既保证了即时通信网络中的即时通信能力，还降低了路由节点的控制范围[20].

2 实验论证分析

为了验证此次研究的路由节点覆盖控制方法，设置的网络和路由节点参数如表1所示.

表1 网络和路由节点参数

在如表1所示的参数下，将此次研究的路由节点覆盖控制方法作为实验A组，引言里提到的两种路由节点覆盖控制方法，分别作为实验B组和实验C组.基于路由节点覆盖控制特点，分别从不同的网络规模和目标区域覆盖度环境下活跃节点数量和网络剩余能量两方面，分析3组检测方法，检测对比活跃节点数量高低和网络剩余能量多少.为了保证实验测试结果的可靠性和真实性，进行50次实验，并将所得活跃节点数量和网络剩余能量按实验次序绘成图表，直观上比较不同检测方法的差异.

2.1 第1组实验

在如表1所示的条件下，改变网络覆盖度，分别使用3种方法覆盖网络，在路由节点覆盖网络后检测路由节点中活跃节点数量，其实验结果如图4所示.

网络覆盖度/%图4 不同网络覆盖度下路由节点活跃数量

从图4中可以看出，随着网络覆盖度的增加，路由节点活跃数量也在不断增加，但是实验A组的路由节点活跃数量，明显高于实验B组和实验C组.此时将图4中的实验数据统计成表，进一步对比3组方法在不同网络覆盖度下路由节点的活跃数量，其统计结果如表2所示.

表2 数据统计表

从表2中可以看出，实验B组在网络覆盖度增加后，路由节点的活跃数量，平均值和方差都低于其他两种实验方法，而实验A组在同一参数下，路由节点的活跃数量，平均值和方差远高于其他两组实验方法.第1组实验结果表明，此次研究的路由节点覆盖控制优化方法，在覆盖网络后路由节点的活跃度相对较高，可以及时传送数据.

2.2 第2组实验

为进一步验证此次研究的路由节点覆盖控制优化方法，在第1组实验的基础上，进行第2组实验.在表1所示的参数下，将网络的覆盖度定为50%，对比3种方法覆盖控制网络后，网络剩余能量随时间的变化，实验结果如图5所示.

时间/s图5 网络剩余能量随时间的变化

从图5中可以看出，实验B组和C组，在网络覆盖度为50%时，随着运行时间的增长，运行能量减少的十分迅速，分别在4 000 s和5 000 s就用尽路由节点所有能量；而实验A组在初始和结束时，路由节点运行能量消耗较少，在运行的过程中，一直处于匀速消耗状态，在6 000 s运行结束时，还参与5J.由此可见，此次研究的路由节点覆盖控制优化方法，提高了路由节点能量利用.综合上述实验结果可知，此次研究的路由节点覆盖控制优化方法，增加了路由节点活跃数量，提高了路由节点的利用率.

3 结 论

综上所述，此次研究路由节点覆盖控制优化方法，根据路由节点的性能、信号传播距离等，在网络中覆盖路由节点，主要从路由节点传播特点、节点之间的最优距离、在网络中的覆盖和网络中的覆盖控制4方面入手.

(1)计算路由节点信号传播距离在不同距离间产生的损耗；

(2)均匀布置锚节点，根据锚节点位置，计算路由节点位置确定路由节点距离；

(3)计算路由节点覆盖率，确定网络中覆盖的路由节点具有连通性；

(4)控制网络中覆盖的路由节点，降低网络运行能耗.

通过此次研究取得了理论性研究成果，但是在研究过程中，发现网络在覆盖路由节点时，存在节点信号衰减、磁场噪声干扰等问题，导致路由节点在信号感知方面表现出一定程度的不确定性.因此在今后需要从路由节点动态感知、外界干扰因素、路由节点的运动方式、多维空间的路由节点覆盖等方面，深入研究路由节点在网络中的覆盖方法，提高网络的服务质量.