多信道通信网络环境下基于节点组簇技术通信资源调度算法

郑岚

【摘 要】 多信道通信模式降低了节点之间的通信干扰，但对节点通信过程中的剩余能量及通信资源调度的合理性提出了更高要求。文章针对传统资源调度算法公平性差，效率低的不足，提出一种基于节点组簇技术的通信资源调度算法;组簇过程中以节点剩余能量和最优位置为条件选举簇首节点，并以簇首节点作为网络中sink节点，规划多个通信信道，最后以动态化变化的信道容量为基础，确定通信资源调度的优先级，以保证通信网络的基础性能和节点的数据吞吐量。仿真结果表明节点组簇调度算法下网络公平性更好，且sink节点及整个网络的数据吞吐量，均要优于传统资源调度算法。

【关键词】 多信道通信;节点组簇;资源调度;公平性;优先级

【中图分类号】 TN1901 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）05-0097-03

在多信道模式下，由于无线传感网络通信的节点拓扑结构较为复杂，节点之间的并发传输机制也存在不同程度干扰和冲突，因此如何在通信中实现无线传感网络时隙资源的高效分配，并制定合理的通信资源调度方案，成为无线通信领域内的重点研究工作之一。

为综合现有通信资源调度算法的优势，本文引入节点簇的概念，提出一种基于节点组簇技术的网络资源调度算法研究。

1基于节点能量分配和最优距离的节点组簇

多信道通信网络环境下，节点的剩余能耗是影响通信资源调度的重要因素之一，科学合理的节点组簇及节点拓扑关系的形成，是节省节点能量和整个网络能耗的重要前提。在一个无线传感网络区域内有N个节点，每个节点都可以采集周围节点的信息并相互自由传递数据，节点的集合Note表示为：

[Note=n1，n2，…，nN] （1）

其中，[Note=N]，节点集合中的第i个节点用ni来表示，无线传感网络中每个传感器都具有相同的能耗，且临近节点之间在有效通信半径内可实现节点之间的通信。选择簇首节点需要考虑到被选举节点的当前位置和剩余能耗，如果设T0（ni）为节点ni在初始时刻的阈值，则在t时刻无线传感网络中各节点的能耗发生变化后，节点ni的阈值Ti（ni）为：

[Ti（ni）=（1-p）T0（ni）+p??i] （2）

其中，p是存货节点所占的比例，[?i]项表示如下：

[?i=ω1E（ni）E（T）+ω2Li+ω3mi1-p+ω41di] （3）

上式中，[ω1-ω4]表示各多项式影响程度的所占比重，其和为1;E（ni）是节点ni目前的剩余能量，E（T）是无线传感网络剩余的总能量，Li为节点ni到最近基站的距离，mi在节点ni通信半径覆盖范围内节点数量，di是节点ni通信半径内全部节点到ni的距离平均值，当节点ni满足簇首节点能量最优要求和距离最优要求时，可被视为簇首节点记为CHk。t时刻阈值公式可以计算出剩余能量最多、且位置最佳的节点，选举该节点为簇首节点能够保证后续的节点组簇过程中各节点位置的位置最佳，且更有助于网络通信资源的优化调度。当节点nj选择加入ni为簇首的簇时，nj首先要确定ni为其通信半径内最近的簇首，且通信距离小于与最近基站的距离;其次，节点nj组簇前还要计算全部簇首节点的能量平均值[Ec]：

[Ec=i=1qE（ni）q] （4）

其中，q为总簇头节点的数量，簇首节点的集合记为[CH1，…，CHk，…，CHq]，此时普通节点nj到簇首CHk的有效距离均值表示为：

[dj=j=nd（nj，CHk）q] （5）

2多信道通信中资源优化调度

在多信道通信模式下，通信链路更加复杂，通过引入节点组簇技术，簇首节点被视为无线传感网络中的sink节点，信道通信资源都通过簇首节点传输，既节省了节点能耗也不易产生干扰，基于节点组簇技术构建的多信道通信模型，见图1。

通信过程中各信道sink节点的选择具有较大的随机性，每个簇首节点都可以被视为sink节点，按照节点组簇的协议要求，当一个簇首节点被选定为某个通信链路中的sink节点后，为防止出现通信干扰和资源抢占的现象，簇首节点即被锁定在该条制定的信道中。因此在中继节点选择和通信信道选择时，需要考虑到当前簇首节点的位置和剩余能耗，确定簇首节点的优先级，簇首节点CHk在第t时刻的优先级表示为：

[ηk（t）=ξkRk（t）R（t）] （6）

其中，[ξk]是与簇首节点CHk相对应的信道参数，Rk（t）表示在第t时刻经过该通道节点数据接收速率，R（t）为信道内节点平均接收速率，通过判断优先级数值，并结合节点当前所在位置，即可确定出最优的通信信道。但从整个无线传感网络的性能和网络寿命考虑，为了避免处于边缘的普通节点无法实现正常的通信，确保网络系统的数据吞吐量最大化，对通信信道优先级的选择进行优化，以信道的容量为基础确定资源调度的优先级：

[ηk（t）=ξkCk（t）CT（t）] （7）

式中Ck（t）是从当前节点到目的节点的信道容量，CT（t）为无线传感网络的总信道容量。以通信信道容量作为信道选择的标准，能够实现全局范围内通信资源调度，从一定程度上弥补了传统算法信道资源分配不公平的情况。如果相邻的两个簇内的簇首节点都要占用同一个信道资源时，节点之间先通过通信的方式交换各自的目标通信距离、簇首节点剩余能量、信道容量等信息，实现信道通信资源分配的最优化，基于节点组簇技术的通信资源调度算法步骤如下：

Step1：在初始状态下依据节點的最优位置和剩余能耗组簇，每个簇的簇首节点视为无线传感网络通信信道内中继节点，初始化资源调度的周期设定为T，初始资源调度时隙设定为t=1。

Step2：确定信道参数[ξk]，确定出Rk（t）、Ck（t）、R（t）和CT（t）等项的值。

Step3：依据簇首节点的数据接收速率和信道容量，计算出通信资源调度和分配的优先级。

Step4：根据无线传感网络整个能耗的变化情况及中继节点的剩余能量和位置信息，动态调整优先级和通信链路，既能够覆盖处于无线网络边缘的节点，还能够避免由于中继节点能耗耗尽而影响到正常的信息通信。

3仿真分析

3.1仿真参数设置

借助MATLAB软件在半径为500m的区域内仿真，参数设置见表1。

3.2通信资源调度算法的性能分析

本文采用对比验证的方法，将文中提出基于节点组簇技术的通信资源调度方法与文献[6]、文献[7]两种传统调度算法的性能进行对比。首先，验证各算法的公平性，调度算法的公平性越高，表明sink节点的选择和通信信道的选择越合理，能够节省节点能耗，延长无线传感网络的寿命。引入公式（6）中的节点数据接受率概念来定义通信过程中的公平系数[ζ]：

[ζi=N      i=1Ri（t）2NN      i=1Ri（t）2] （8）

其中，[ζi]是与第i个节点相关的公平系数，Ri（t）表示第i个节点数据接收率，以仿真區域内的6个sink节点为研究对象，计：3种调度算法下6个sink节点公平系数变化，见图2。

与两种传统资源调度算法相比，基于节点组簇技术的sink节点公平系数值更高，且没有出现异常波动，稳定性更好。验证在不同的通信资源调度算法下，6个sink节点和整个仿真网络的数据吞吐量变化情况，见图3。

图3中的数据分析结果显示，在节点组簇技术资源调度下sink节点的吞吐量均超过了0.8Mbps，远超过文献[6]和文献[7]的无线传感网络资源调度算法。

4结束语

无线传感器网络中，多信道通信模式可以有效地避免节点之间由于资源分配不公问题导致的通信冲突，但无线传感器网络节点部署范围过广，会导致通信过程中出现节点竞争，进而增加数据传输的通信成本，降低无线传感网络的整体性能和通信可靠性。为综合多信道通信模式下调度算法的通信成本与通信效率，本文提出了基于节点组簇技术的通信资源调度算法，以簇首节点作为网络的sink节点，节省簇内的节点能耗，并达到延长网络寿命和提升网络吞吐量的目的。

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