可充电无线传感器网络动态拓扑的分析

王慧英 高善坤 张双双

摘 要 对不同时刻不同传感器节点，还有无线能量补给需要遵循的约束条件进行了分析，通过分析得到了多状态线性规划问题。然后对此优化问题进行求解，最终获得无限能量补给等。对比之前的研究结果，优化目标得到了有20%以上的提高。

【关键词】可充电无线传感器网络 动态拓扑 动态路由

无线传感器网络的出现，为有关领域诸如资源保护、环境管理等，在技术设备和信息上提供了更好的平台。本文主要在以往研究的基础长，分析可充电无线传感器网络动态拓扑，旨在让其实现长时间工作的目标得到最优解。

1 可充电无线传感器网络的动态拓扑研究的创新

（1）本文提出了可充电无线传感器网络中的动态拓扑工作方式。因为在向设备进行能量补给的过程中，无线能量补给需要对网络中全部的传感器节点进行造访，因此在子网络当中因为这个节点是以簇头的形式存在的，因此可以这样说，网络的特性存在动态拓扑。

（2）在本文中，对于数据的接收本文除了固定的基站外，无线能量补给同样能够对传感器节点的信息进行收集。

因为对于网络当中相对于的簇头节点，每个传感器节点均会有对应，这就造成所遵循的条件会受到约束，因此，在进行模型优化的建立过程中，需要对所受到约束的条件进行充分的考虑，而这就会增加了建立模型优化的难度。按照此在网络中动态拓扑工作的形式，然后切实的建立起相适应额优化模型，同时将其问题转化为线性规划，最后得到求解。仿真结果表明，相对比仅进行能量补给而言，无线传感器网络无线能量补给在动态拓扑方式下工作的效率有着明显的提高。

2 问题描述及优化问题初步建模

2.1 能量补给阶段

初始能量补给主要是指在布设无线传感器网络完成之后，全部传感器节点对能量补给第一次接受的阶段；一般能量进行补给的阶段。 一般能量进行补给的阶段主要是由数据采集周期组成的，此周期一般情况下需要满足以下各个条件。

（1）在任意一个能量补给的周期内，在电量上任意一个传感器节点要大于Emin，同时也不能够大于Emax。

（2）相对于每个传感器上的节点来说，在一段时间内曲线变化过程中，其任意两个的一般能量补给均一样。

在第一个条件中，对一般能量补给提出要求，要求其不管是在任何传感器节点的电量时，都能够对其的正常工作进行维持，于此同时，也能够让过充电操作的发生得到了限制。本文主要对无线传感器网络中的传感器节点进行讨论，并为其的工作设计相适应的方案，而这就需要借助条件2限制无线传感器节点。

2.2 一般能量补给周期模型

由于无线传感器材网络中各个设备工作方案的建立，是在进行一般能量补给的周期之内，因此在这里仅对一般能量补给周期进行讨论。将一般能量补给周期的长度设为τ，那么这个时候的一般能量补给开始的周期就是τ，周期结束时间为2τ；i∈N（传感器节点）借助监测环境，然后最终数据的速率产生记为Ribit/s；传感器节点i在t（t∈{τ，2τ}时刻，将会从其他传感器节点上进行数据的接收。通过建立的模型分析发现，如果要全部实施能量补给的方法，即要保证传感器节点在每次充电完成之后，能量能够达到Emax，对OPT-1最优目标函数值不發生改变问题进行优化。然后再通过约束条件进行黄钻花，最终得到新的优化问题OPT-2。

3 模型分析和优化问题

3.1 分析优化模型

上述中得到了优化问题OPT-2。首先对约束条件的个数进行优化。如果有N个传感器节点在无线传感器网络当中，那自然而然约束条件相对应的也就有N个约束等式。其次，上述的模型并不是一个线性规划模型，因为有非常多的积分项在其约束条件中。基于此，要想对此优化问题进行最优解是非常难的。

3.2 在不同的状态下不同节点需要遵照的约束条件和优化问题OPT-3

根据上述可知，对OPT-2约束条件的问题进行优化，是因为其中有非常多的积分项，这是造成此优化问题非线性出现的一个主要原因。为了能够让这一因素得到彻底的消除，就需要对其的工作状态进行分析。因此可以 通过对比例项等进行消除，然后达到对问题进行优化的目的，并且让此优化问题转化为线性规划问题。在求出最优解之后，借助逆运算，然后就 能够得到OPT-5中相应优化变量的值。

4 优化问题OPT-5的模型复杂度的分析

对问题OPT-5中约束条件的复杂度进行计算并且优化。具体如表1所示。

根据分析可知，无线传感器网络如果处于的阶段不同 ，那所采用的数据路由也是不同的；传感器节点在接受能量补给的过程中，传感器节点就会在数据传输业务上承担的更多，传感器节点作为簇头并不是一成不变的，同理子网的划分也并不是不发生改变的，因此这就说名有动态拓扑结构在无线传感器网络中存在。

5 结束语

在以往研究成果的研究 中，对可充电无线传感器网络的动态拓扑问题进行了分析。通过本文的分析和研究发现，优化目标在动态网络拓扑结构下的动态数据路下，得到了有20%以上的提高。

参考文献

[1]尚小溥.基于图相关理论的无线传感器网络若干拓扑问题研究[D].北京交通大学，2015.

[2]刘浩然，孙雅静，刘彬，等.能耗均衡的无线传感器网络无标度容错拓扑模型[J].计算机学报，2017，40（08）：1843-1855.

[3]刘洲洲，王福豹.能量有效的无线传感器网络无标度拓扑模型[J].北京邮电大学学报，2015，38（01）：87-91.

作者单位

商丘工学院 河南省商丘市 476000