无线传感器网络节点多目标安全优化部署

张倩

摘要    目前，随着社会经济的快速发展，无线传感器网络节点运行中，优化部署方案中，对网络节点位置移动引起节点间共享密钥破坏安全通信链路等问题考虑的不够周全。此种情况下，本文主要论述了无线传感器网络节点多目标安全优化部署相关问题。

【关键词】无线传感器 网络节点 优化部署

1 无线传感器网络多节点目标安全优化部署相关模型

1.1 网络优化部署模型

无线传感器网络中，假设在二维平面T区域部署中，随机部署N个感知半径Rs与通信半径Rc相同的无线传感器网络节点（下文简称节点）。其节点集是S={S1，S2，S3，...，SN}，在此其中，节点Si的坐标位置可表述为（x，y）。SiSi

1.2 多目标节点数学安全优化部署模型

无线传感器网络中，可将多目标组合优化问题视为一组参数决策变量到另一组目标的映射过程。对于多目标节点安全优化部署问题，网络安全性的提高是值得深入考量的问题，同时确保网络覆盖率得到提升。所以，应用多目标优化策略，基于安全性与覆盖率考虑，设计两个目标函数。此种情况下，基于安全连通度，为多目标节点构建数学优化部署模型，具体如下所示：

在上述公式中，X=（xS1，yS1，xS2，yS2，...，xSN，ySN）表示2N维的决策变量，而y则表示2维目标向量;而f1（x）与f2（x）分别表示节点安全连通度与网络覆盖率等相关目标函数;i∈[1，N]，j∈[1，N]，i=?j，满足d（Si，Sj）≤Rc条件，是节点全连通约束力，其中d（Si，Sj）是节点Si与Sj间的欧氏距离;而d（Si，S'i）≤dth表示节点移动能耗约束力，d（Si，S'i）是节点优化后及其初始位置间的距离，在此过程中，dth是节点移动最大范围值。

1.3 多目标节点安全优化部署约束条件

（1）节点权连通性约束。无线传感器网络运行中，多目标节点全连通性，确保了网络中任意两节点间，至少存在一条可直接或间接实现通信的渠道，该约束具体可用公式表示为：

（2）多目标节点移动型能耗约束。无线传感器网络中，节点能量有限，所以节点移动能耗问题是值得考虑的，合理限定节点移动最大距离。其能耗约束可用公式d（Si，S'i）≤dth进行表示。

2 无线传感器网络多目标节点优化结果

无线传感器网络中，仿真旨在通过对比考虑覆盖率，改善粒子群算法单目标优化覆盖及安全连通性，以及网络覆盖率多目标粒子群算法，对多目标粒子群算法进行优化与改进，以此分析其覆盖率与安全连接情况。

2.1 无线传感器网络覆盖率

无线传感器网络目标部署中，单目标粒子群初始部署与改进覆盖优化与安全连通性，还有网络覆盖率多目标粒子群算法覆盖优化与改进网络覆盖率仿真结果，圆代表节点通信半径。对比节点初始部署，迭代运行200次算法后，节点分布也会更加均匀，一定程度上有效提升了网络覆盖率，网络覆盖质量也得到了明显提升，随着算法迭代次数的不断增加，网络覆盖率也随之不断增长。初始部署过程中，节点覆盖率达到72.64%，运行200次算法后，分析单目标网络覆盖率优化算法，就可将网络覆盖率提高到98.53%。粒子群多目标优化算法与改进中，基于安全连通性与网络覆盖率粒子群多目标优化算法，分別实现了95.94%与97.69%的网络覆盖率。

2.2 无线传感器网络多目标节点安全连通度

无线传感器网络部署过程中，初始部署工作中，相邻节点之间都存在对应的共享密钥，以此构建安全性通信连接。基于优化算法，节点网络覆盖率提高基础上，使得共享密钥间的安全连接遭到了一定的破坏，从而降低了节点间的安全性连通。节点初始部署与单目标粒子群改善优化算法、多目标粒子群优化算法与改进后，迭代200次算法后，共享密钥节点间存在安全连接仿真结果如图1所示。在对比图中，连线表示节点间共享密钥安全性连接。经过200次算法运行后，安全连接个数会逐渐减少，同时还会降低节点间的安全连通度。在实际工作中，要根据实际情况确定共享密钥节点安全连接个数与连通度。

2.3 收敛性算法

对算法收敛速度进行对比基础上，可发现算法运行效率，本文改进粒子群算法与传统粒子群算法有相通的迭代次数，因而节点网络覆盖率也会更高。另外，节点网络覆盖率也会在最短时间内达到最大值。

3 结束语

综上所述，在无线传感器网络多目标优化部署中，基于改进多目标粒子群，本文设计了节点安全优化部署方案，设置节点安全连通度与网络覆盖率目标函数基础上，探索满足节点权连通与节点移动能耗等约束条件的解集，为有效解决无线传感器网络节点安全部署问题创造条件。对多目标粒子群优化算法改进过程中，采用自适应性调整惯性权重与精英档案策略，解决节点安全部署出现的问题，相较之粒子群优化算法，网络覆盖率与节点安全连通度达到最优。

参考文献

[1]孙子文，申栋.无线传感器网络节点多目标安全优化部署[J].传感技术学报，2018，31（12）：1882-1888.

[2]李聃.无线传感器网络节点定位技术研究[D].天津大学，2017.