魏增輝,史兆強(qiáng)

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)等技術(shù)不斷發(fā)展，推動(dòng)了低功耗智能化傳感器的快速發(fā)展，使信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能在微小體積內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)大量的微型無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，攜帶電能有限，并且大量節(jié)點(diǎn)分布在周圍復(fù)雜，甚至人員不可到達(dá)的區(qū)域。 因此，如何高效使用能量，最大限度地維持網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。

1 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)[1]。 大量傳感器節(jié)點(diǎn)布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過自組方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐一跳動(dòng)傳輸。在傳輸過程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多次跳動(dòng)后，達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。 用戶通過管理節(jié)點(diǎn)，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)，收集監(jiān)測(cè)信息。圖1 為無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

傳感器節(jié)點(diǎn)有傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊4 部分組成。 傳感器模塊負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的物理量信息（如溫度、濕度等）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信息；處理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，處理和存儲(chǔ)本節(jié)點(diǎn)的信息，或者轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制或者數(shù)據(jù)信息；能量供給模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供必要的能量，通常采用微型電池。 傳感器節(jié)點(diǎn)不僅是數(shù)據(jù)處理的終端，還具有路由的功能。 因此，結(jié)合具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)能量，最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，顯得至關(guān)重要。

圖1 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless sensor network system structure

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：平面結(jié)構(gòu)（a）和分簇結(jié)構(gòu)(b)。 如圖2 所示。

圖2 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Wireless sensor network topology structure

在平面結(jié)構(gòu)當(dāng)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間往往存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)，一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。 但是，在節(jié)點(diǎn)特別多的情況下，平面型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)組織，路由建立、控制與維持的報(bào)文方面會(huì)占用很大的帶寬。 這影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的同時(shí)，也使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗比較高，在嚴(yán)重情況下，甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)癱瘓。 因此，平面結(jié)構(gòu)一般用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

為了解決平面結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)堵塞問題，節(jié)約整體能耗，可以采用分簇結(jié)構(gòu)[2]。 在分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。 簇頭負(fù)責(zé)簇間信息傳輸，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。 傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊在空閑狀態(tài)時(shí)的能量消耗與在收發(fā)狀態(tài)下相當(dāng)，所以，在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)，關(guān)閉通信模塊，能夠大幅度降低無線通信的能量消耗，從而降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。 分簇結(jié)構(gòu)正是基于此種考慮，依據(jù)一定的機(jī)制，選擇某些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，打開其通信模塊，并關(guān)閉非簇頭節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)

分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，簇頭節(jié)點(diǎn)需要協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對(duì)較大。 所以，通常采用分簇算法周期性地選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的做法，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗[3]。

2.1 LEACH 自適應(yīng)分簇算法

LEACH 自適應(yīng)分簇算法分為簇建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段，并且這兩個(gè)過程是周期性循環(huán)進(jìn)行的。 在簇建立階段，相鄰節(jié)點(diǎn)在一定的發(fā)射功率控制下動(dòng)態(tài)地形成簇，隨機(jī)產(chǎn)生簇頭。 在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。 為了降低開銷，數(shù)據(jù)通信階段都比簇建立階段要長(zhǎng)。 LEACH 算法能夠保證各節(jié)點(diǎn)等概率地?fù)?dān)任簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)相對(duì)均衡地消耗能量。 LEACH 算法時(shí)序如圖3所示：

圖3 LEACH 算法時(shí)序圖Fig.3 LEACH algorithm

2.1.1 簇建立階段

LEACH 算法中的簇劃分采用分布式劃分法，所有傳感器節(jié)點(diǎn)只通過本地信息，不需要任何中心的控制信息。 簇頭選取過程為：節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1 之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于閥值S(n)，則發(fā)布自己為簇頭的公告信息。 在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)當(dāng)選過簇頭，則把S(n)設(shè)置為0，這樣該節(jié)點(diǎn)就不會(huì)再次當(dāng)選為簇頭； 如果節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選過簇頭，則將以S(n)的概率當(dāng)選。 隨著當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的閥值S(n)隨之增大，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生小于S(n)的隨機(jī)數(shù)的概率隨之增大，所以節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率逐步增大。 當(dāng)只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選時(shí)，S(n)=1，表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)一定當(dāng)選。 S(n)可表示為

式中：P 是簇頭在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比；r是簇頭選舉輪數(shù)；rmod(1/P)代表這輪循環(huán)中當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；G 是這一輪循環(huán)中未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合。

節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭以后，簇頭節(jié)點(diǎn)使用CSMA 爭(zhēng)用型MAC 協(xié)議廣播公告信息，告知其他節(jié)點(diǎn)，自己在本輪被選舉為新簇頭。 由于簇頭節(jié)點(diǎn)在發(fā)布公告信息時(shí)都使用相同的發(fā)射功率，所有非簇頭節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)間段均處于接收模式，可以偵聽所有簇頭節(jié)點(diǎn)的公告信息[4]。 非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)與簇頭之間的距離來決定加入哪個(gè)簇，并告知該簇頭。 當(dāng)簇頭接收到所有加入信息后，基于簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)量產(chǎn)生一個(gè)TDMA 傳輸時(shí)間安排消息，并且通知該簇中的所有節(jié)點(diǎn)，以讓簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)知道什么時(shí)候可以發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免附近簇的信號(hào)干擾，簇頭可以決定本簇中所有節(jié)點(diǎn)所用的CDMA 編碼[5]。 這個(gè)用于當(dāng)前階段的CDMA 編碼連同TDMA 消息一起發(fā)送。當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，它們就會(huì)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。 經(jīng)過一定時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，簇頭節(jié)點(diǎn)收齊簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，就運(yùn)行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 數(shù)據(jù)通信階段

當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到簇頭發(fā)布的TDMA 消息后，就開始進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。 非簇頭節(jié)點(diǎn)在分配給它們的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn)，且使用最小的能量發(fā)送（由于選擇簇頭基于最大的信號(hào)強(qiáng)度）。每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)在不屬于自己的發(fā)送時(shí)段可以關(guān)閉電臺(tái)，以減少能量消耗。 簇頭節(jié)點(diǎn)必須保持接收器工作，以便接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。 當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完畢時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)信號(hào)處理功能，將數(shù)據(jù)壓縮為單一信號(hào)。 例如，如果數(shù)據(jù)是溫度和濕度信號(hào)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將單個(gè)信號(hào)合成組合信號(hào)。 這個(gè)綜合信號(hào)被發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，并由匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)用戶。

2.2 LEACH 算法的改進(jìn)算法

由于LEACH 算法中簇頭的選舉方法沒有考慮節(jié)點(diǎn)的具體地理位置，所以不能保證簇頭均勻地分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。 在LEACH 算法基礎(chǔ)上，HEED 算法針對(duì)LEACH 算法的這一問題進(jìn)行了改進(jìn)。 它以簇內(nèi)平均可達(dá)能量作為衡量簇內(nèi)通信成本的標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)點(diǎn)以不同的初始概率發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)消息，節(jié)點(diǎn)的初始化概率CHprob根據(jù)公式（2）確定。

式中： Cprob和Pmin是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的參量，它們影響算法的收斂速度，通常Pmin=10-4、Cprob=5%；Eresidsnt/Emax代表節(jié)點(diǎn)剩余能量與初始化能量的百分比。

簇頭競(jìng)選成功后，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)在競(jìng)爭(zhēng)階段收集到的信息，選擇加入的簇。

HEED 算法在簇頭選擇標(biāo)準(zhǔn)及簇頭競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制上與LEACH 算法不同，簇建立速度有一定提升。 考慮到簇內(nèi)通信的消耗，它把節(jié)點(diǎn)剩余能量作為一個(gè)參量引入算法，使得選出的簇頭更適合擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，全網(wǎng)能量消耗更均勻、更低。

3 結(jié)語

LEACH 算法作為層次型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過自適應(yīng)分簇算法，由簇頭節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，減少了數(shù)據(jù)通信量。 分簇式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，適合于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。 由于大部分節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)關(guān)閉通信模塊，所以它顯著地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。而HEED 算法作為L(zhǎng)EACH 算法的改進(jìn)算法，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更趨合理，全網(wǎng)能耗更加降低。

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[2] 朱祥賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].數(shù)字技術(shù)及應(yīng)用,2009（11）；29-30.

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[5] 趙明. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005（S2）：638-640.