胡向東，張 力

(重慶郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶，400065)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起與推動，無線傳感網(wǎng)(wireless sensor networks，WSN)將在軍事國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用［1］。但無線傳感網(wǎng)中的眾多傳感器節(jié)點面臨著嚴(yán)格的能量約束問題，如何降低傳感器節(jié)點的能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期一直是無線傳感網(wǎng)的研究重點。

對于大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)而言，基于分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在拓?fù)涔芾?、能量效率、?shù)據(jù)融合與節(jié)點協(xié)同處理方面都具有明顯優(yōu)勢。分簇的結(jié)構(gòu)將大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)劃分為多個小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，從而降低了拓?fù)涔芾淼碾y度，同時可以引入節(jié)點睡眠機制而不影響網(wǎng)絡(luò)連通性，便于數(shù)據(jù)融合，減少了信道接入的競爭，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，為節(jié)點的協(xié)同處理提供了良好的物理支持，可有效地降低網(wǎng)絡(luò)開銷，延長網(wǎng)絡(luò)壽命［2］。

在這種分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點分布式地組織成以簇為單位的結(jié)構(gòu)，每個簇包含一個簇頭節(jié)點(cluster head，CH)與多個簇成員節(jié)點(cluster member，CM)。簇頭節(jié)點承擔(dān)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集、處理與簇間路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能;簇成員節(jié)點負(fù)責(zé)將收集的數(shù)據(jù)上傳至其簇頭節(jié)點。由于簇頭節(jié)點負(fù)擔(dān)的任務(wù)量大大超過簇成員節(jié)點，將比簇成員節(jié)點更快速地消耗完自身能量，因此，需要采取措施平衡簇內(nèi)節(jié)點的能量消耗以延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。簇頭輪換是目前普遍采用的策略，通過簇頭輪換，使得網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都有機會擔(dān)當(dāng)簇頭，從而平衡各節(jié)點的能量消耗?，F(xiàn)有分簇算法的簇頭輪換策略大多采用周期性輪換，如低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)［3］，HEED［4］(a hybrid，energy-efficient distributed clustering approach)，ACE［5］(algorithm for cluster establishment)等以預(yù)設(shè)的時間周期為單位進(jìn)行全網(wǎng)簇頭輪換與拓?fù)渲亟?。雖然基于時間周期的輪換策略可以較好地均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，但是其每次輪換都在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，不僅導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功能的周期性中斷，同時會造成本身數(shù)據(jù)處理量不大或監(jiān)控任務(wù)不重的區(qū)域產(chǎn)生大量不必要的能量浪費，而且全網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)域的能量消耗不均勻、輪換周期難以優(yōu)化確定。為了應(yīng)對上述問題，達(dá)到減少能量浪費和延長網(wǎng)絡(luò)存活時間的目的，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由協(xié)議進(jìn)行了分析與研究，并提出了一種新的算法。

新算法建立了局域按需簇維護(hù)機制，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)成簇之后基于動態(tài)能量閾值的輪換策略，把輪換的影響限制在一個較小的范圍內(nèi)(本簇內(nèi)或擴展到鄰簇)。同時，本文結(jié)合MAC層的動態(tài)TDMA調(diào)度機制，給出了實現(xiàn)分簇拓?fù)涞目焖俳⑴c故障恢復(fù)的方法。

1 周期性輪換算法分析

典型的周期性輪換算法主要有LEACH，HEED，ACE等，這類算法都包括了簇頭選舉和數(shù)據(jù)傳輸2個階段，其主要的區(qū)別在于簇頭選舉的算法，而在數(shù)據(jù)傳輸階段，都采用了固定的TDMA調(diào)度機制，并基于預(yù)設(shè)的時間結(jié)束傳輸和重選簇頭。

在簇頭選舉階段，周期性輪換算法按照其簇頭選舉算法選出簇頭節(jié)點后，就向外發(fā)送簇頭廣播信息。而其他節(jié)點根據(jù)收到的簇頭廣播信息的信號大小決定要加入哪個簇，并向決定加入簇的簇頭發(fā)送加入請求。簇頭在收到請求后將該節(jié)點加入自己的路由表，并為每個節(jié)點設(shè)定一個TDMA時間表，再將該表發(fā)送給所有簇內(nèi)節(jié)點。

在數(shù)據(jù)傳輸階段，各簇內(nèi)成員節(jié)點按照自身的TDMA時隙將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，若數(shù)據(jù)在一個時隙內(nèi)未發(fā)送完，則在下一時隙到來時繼續(xù)發(fā)送;簇頭節(jié)點則需在本輪數(shù)據(jù)發(fā)送的全部時間里進(jìn)行監(jiān)聽并接收簇內(nèi)普通節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，待本簇內(nèi)所有普通節(jié)點傳完數(shù)據(jù)后，簇頭節(jié)點將接收到的全部數(shù)據(jù)與其自身監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，隨后進(jìn)入簇間通信階段。此外，簇內(nèi)成員節(jié)點只需在分配給自己的TDMA時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送至簇頭節(jié)點，其他時間可處于休眠狀態(tài)，起到節(jié)能的作用。

周期性輪換類的分簇算法與平面路由算法相比，網(wǎng)絡(luò)整體生存時間得到了延長。但這類算法也存在不少的缺點，如簇頭數(shù)目不確定，簇頭分布不合理，能量損耗不平衡，簇更新周期很難優(yōu)化確定等。這些問題制約了它們在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

2 局域按需簇維護(hù)算法的提出

2.1 算法描述

局域按需簇維護(hù)算法的主要思路是用基于能量閾值的方式驅(qū)動簇頭輪換，同時只在受影響的局域范圍內(nèi)用局域簇頭輪換，以此解決簇更新周期難確定的問題，減少不必要的能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的存活時間。

局域按需簇維護(hù)算法從網(wǎng)絡(luò)首次成簇之后開始，直到網(wǎng)絡(luò)死亡為止，由簇頭維護(hù)算法、成員節(jié)點維護(hù)算法和待命節(jié)點維護(hù)算法3部分組成。它將網(wǎng)絡(luò)中由于某些原因?qū)е碌臒o法正常工作的節(jié)點(如剩余能量低于閾值的簇頭節(jié)點、簇頭不再繼續(xù)正常工作的簇內(nèi)成員節(jié)點、新入網(wǎng)節(jié)點等)全當(dāng)作待命節(jié)點，再按照網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的具體情況，對它們統(tǒng)一進(jìn)行維護(hù)，使它們重新開始工作。圖1描述了局域按需簇維護(hù)涉及的對象和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

圖1 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.1 Diagram of state shift of node

1)簇頭節(jié)點維護(hù)算法。簇頭節(jié)點維護(hù)的主要任務(wù)是判斷簇頭是否繼續(xù)擔(dān)任，當(dāng)簇頭滿足自身當(dāng)前剩余能量值高于能量閾值Eth，并且簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)大于設(shè)定的最小成員個數(shù)member_min_時，則繼續(xù)擔(dān)任簇頭，否則，廣播辭職消息ADV_RESIGN，并轉(zhuǎn)為待命節(jié)點。具體流程如圖2a所示。

圖2 維護(hù)流程Fig.2 Flow chart of maintenance

［7-8］中能量閾值的設(shè)定方法，本文設(shè)置能量閾值Eth的計算方法為

(1)式中:μ，ε∈R，μ，ε分別為預(yù)設(shè)值，并滿足(μ+εpnow)∈［0，1］;Erec為擔(dān)任簇頭時的初始剩余能量;pnow為當(dāng)前能耗速率，pnow每隔5個TDMA幀長更新一次，pnow越大，Eth越大，簇頭工作時長越短。最小成員個數(shù)member_min_的計算方法為

(2)式中:p∈［0，1］，p為預(yù)設(shè)值，alive_node為存活節(jié)點個數(shù)。周期性輪換算法通過預(yù)設(shè)簇頭個數(shù)來平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但由于簇頭個數(shù)的隨機性，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡因子(load balance factor，LBF)波動大、均值小。通過設(shè)置member_min_來控制簇頭個數(shù)，可更有效地平衡負(fù)載，并提高負(fù)載平衡效果的穩(wěn)定性。

2)成員節(jié)點維護(hù)算法。成員節(jié)點維護(hù)主要起偵聽簇頭異常、保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的作用。成員節(jié)點轉(zhuǎn)為待命節(jié)點的條件有2種:1)成員節(jié)點在發(fā)現(xiàn)簇頭被捕獲或簇頭死亡;2)成員節(jié)點接收到簇頭的辭職消息ADV_RESIGN。具體流程如圖2b所示。

3)待命節(jié)點維護(hù)算法。待命節(jié)點都是暫時無法工作的節(jié)點，因此對待命節(jié)點維護(hù)的目的就是要使節(jié)點重新工作，即重新成簇或者加入其他簇。本文采用在一個區(qū)域范圍內(nèi)，當(dāng)待命節(jié)點個數(shù)大于λ倍member_min_時，選擇重新成簇;否則，節(jié)點選擇最鄰近的簇頭，請求加入該簇頭所在的簇。具體算法將在2.2節(jié)詳細(xì)敘述。

2.2 區(qū)域簇頭輪換

區(qū)域簇頭輪換是通過對待命節(jié)點的維護(hù)實現(xiàn)的。由于待命節(jié)點的產(chǎn)生方式有2種，區(qū)域簇頭輪換的實現(xiàn)方式分為有簇頭輪換(針對簇頭辭職的方式)和無簇頭輪換(針對簇頭被捕獲或死亡)。

有簇頭輪換步驟如下。

步驟1 當(dāng)簇頭剩余能量低于設(shè)定的能量閾值時，簇頭廣播辭職消息ADV_RESIGN。

步驟2 收到ADV_RESIGN消息的簇內(nèi)成員節(jié)點向簇頭發(fā)送包含自身剩余能量信息的消息NODE_INFO，并轉(zhuǎn)為待命節(jié)點。

步驟3 簇頭根據(jù)收到的NODE_INFO消息統(tǒng)計出簇內(nèi)成員節(jié)點的個數(shù)Num_CM，再根據(jù)簇內(nèi)成員節(jié)點的個數(shù)Num_CM計算出將要生成簇的個數(shù)Num_CH。當(dāng)Num_CM小于λ倍的member_min_時，Num_CH為1，在其他條件下，Num_CH的值由(3)式計算所得。

(3)式中，符號?a」為小于a的最大整數(shù)。

步驟4 簇頭根據(jù)收到的NODE_INFO消息選出剩余能量最大節(jié)點的Num_CH個節(jié)點作為新簇頭，廣播新簇頭ID列表消息NEW_CH，并轉(zhuǎn)為待命節(jié)點。

步驟5 收到NEW_CH消息的待命節(jié)點檢查NEW_CH消息中是否有自身ID。如果有自身ID，則轉(zhuǎn)為簇頭節(jié)點，并發(fā)布簇頭廣播ADV_CH;如果沒有自身ID，則繼續(xù)維持待命節(jié)點狀態(tài)。

步驟6 收到ADV_CH廣播的待命節(jié)點向新簇頭發(fā)送加入請求JOIN_REQ;鄰簇中收到廣播的成員節(jié)點比較新簇頭與現(xiàn)有簇頭的通信距離，當(dāng)與新簇頭的通信距離更小時，向新簇頭發(fā)送加入請求JOIN_REQ。

步驟7 簇頭根據(jù)收到的JOIN_REQ消息，按通信距離進(jìn)行排序，廣播時隙消息ADV_SCH，完成成簇。

無簇頭輪換步驟如下。

步驟1 發(fā)現(xiàn)簇頭異常的成員節(jié)點，關(guān)閉睡眠狀態(tài)，轉(zhuǎn)為待命節(jié)點。

步驟2 發(fā)現(xiàn)簇頭異常的成員節(jié)點在各自的下一時隙開始時，檢查是否已收到信息收集廣播ADV_COLLECT，如未收到ADV_COLLECT消息，則發(fā)送ADV_COLLECT消息。

步驟3 收到ADV_COLLECT消息的節(jié)點，向廣播ADV_COLLECT消息的節(jié)點發(fā)送節(jié)點信息NODE_INFO消息。

步驟4 廣播ADV_COLLECT消息的節(jié)點根據(jù)收集到的NODE_INFO消息判斷剩余成員節(jié)點個數(shù)是否大于member_min_。當(dāng)剩余成員節(jié)點個數(shù)大于member_min_時，依據(jù)有簇頭輪換的方法，選出新簇頭，廣播NEW_CH消息，重新成簇;當(dāng)剩余成員節(jié)點個數(shù)小于member_min_時，廣播ADV_DISBAND消息，并向最近的簇頭發(fā)送JOIN_REQ消息。

步驟5 收到ADV_DISBAND消息的待命節(jié)點向各自最近的簇頭發(fā)送JOIN_REQ消息，在收到簇頭節(jié)點的時隙廣播ADV_SCH消息后，計算得到自身的發(fā)送時隙，轉(zhuǎn)為成員節(jié)點，加入到該簇。

2.3 動態(tài)TDMA調(diào)度

周期性輪換算法在進(jìn)行下一輪簇頭選舉之前，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，因此可以使用一個靜態(tài)的TDMA調(diào)度方式，而局域按需簇維護(hù)的拓?fù)渥兓欠侵芷诘?，隨時都有可能發(fā)生變化，若采用靜態(tài)TDMA調(diào)度方式會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)傳輸沖突，對網(wǎng)絡(luò)造成巨大的危害。因此使用動態(tài)TDMA調(diào)度十分必要。

局域按需簇維護(hù)的拓?fù)渥兓饕?種:1)成員節(jié)點的退出和加入;2)多跳網(wǎng)絡(luò)中簇間路由的變化。簇頭間的數(shù)據(jù)傳輸固定在data transmission時隙進(jìn)行，如圖3所示，在簇間路由恢復(fù)之后，就能將數(shù)據(jù)傳到基站，因此不需要調(diào)度。成員節(jié)點向簇頭傳輸數(shù)據(jù)在schedule時隙進(jìn)行，schedule時隙被分為多個slot時隙，slot時隙與成員節(jié)點一一對應(yīng)，1個slot時隙只允許1個成員節(jié)點使用。新成員節(jié)點加入時，要使其能發(fā)送數(shù)據(jù)，就必須分配一個slot時隙供其使用;原有成員節(jié)點退出時，簇頭回收空出的時隙，有助于延長剩余的成員節(jié)點的slot時隙，從而提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

圖3 TDMA結(jié)構(gòu)Fig.3 Framework of TDMA

動態(tài)TDMA調(diào)度具有以下2個特點。

1)時隙的分配是根據(jù)成員節(jié)點與簇頭間的通信距離決定的，通信距離越小，時隙越靠前。成員節(jié)點在請求加入消息JOIN_REQ中加入收到簇頭廣播消息ADV_CH的信號強度，簇頭再根據(jù)信號強度從大到小排序，然后廣播時隙消息ADV_SCH。

2)schedule時隙的時長是固定的，slot時隙時長可以改變。為保證在一個slot時隙內(nèi)至少能完成一個數(shù)據(jù)包的傳輸，slot時隙有一個最小時長，最小時長由單個包的大小和帶寬等因素決定。將schedule時隙按成員節(jié)點個數(shù)均分，均分后時長大于slot時隙的最小時長時，slot時隙的時長就等于均分的時長;均分后時長小于slot時隙的最小時長時，slot時隙的時長就等于slot時隙的最小時長，并從后向前復(fù)用時隙。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真場景設(shè)置

本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2.34，仿真區(qū)域為100 m×100 m，在其中隨機布設(shè)100個傳感器節(jié)點，基站位于場景的上方。節(jié)點初始能量設(shè)為2 J;節(jié)點每進(jìn)入一次自己的時隙，則發(fā)送一次數(shù)據(jù)。節(jié)點的參數(shù)具體設(shè)置如表1所示。

表1 節(jié)點參數(shù)設(shè)置Tab.1 Setting of node parameters

3.2 仿真結(jié)果分析

局域按需簇維護(hù)算法涉及4個重要的參數(shù):μ，ε，p和λ。μ和ε為計算能量閾值的相關(guān)系數(shù)，能量閾值決定了簇頭輪換的快慢，直接影響到網(wǎng)絡(luò)存活時間，因此在不同μ和ε值的情況下，網(wǎng)絡(luò)存活時間有著較大的差異，如圖4所示。

圖4是在仿真條件下網(wǎng)絡(luò)存活時間隨不同的μ和ε值的變化情況。在μ=0.4，ε=11時，網(wǎng)絡(luò)存活時間達(dá)到最大值665 s，此時(μ+εpnow)的值在0.58～0.66 波動，接近于文獻(xiàn)［9］中提出的最優(yōu)能量閾值參數(shù) popt=0.644，(Eth=p·Erec)。

圖4 μ和ε對存活時間的影響Fig.4 Change of alive time with μ and ε

除μ和ε之外，網(wǎng)絡(luò)中還有2個參數(shù)p和λ。p是計算最小成員節(jié)點個數(shù)的系數(shù)，λ是控制重新成簇個數(shù)的系數(shù)，這2個參數(shù)控制著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不同的p值和λ值會使網(wǎng)絡(luò)的簇頭個數(shù)和負(fù)載平衡發(fā)生變化。仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同p和λ下的簇個數(shù)情況Tab.2 Number of cluster under p and λ

表2的中間內(nèi)容是簇個數(shù)信息，其數(shù)值是按照簇個數(shù)均值［最小簇個數(shù)，最大簇個數(shù)］的形式排列的。

由于LEACH，HEED，ACE等周期性輪換算法在網(wǎng)絡(luò)運行和維護(hù)過程中的差異性不大，因此本文仿真中采用最典型的LEACH算法與新算法做對比驗證。

圖5為新算法與LEACH算法的LBF的變化對比，圖5中LEACH算法設(shè)置的簇頭個數(shù)為5，對應(yīng)新算法中的p和λ分別為0.15和1.5，平均簇頭個數(shù)維持在5個左右(如表2所示)。從圖5中可以看出，在預(yù)設(shè)相同簇個數(shù)的條件下，新算法的負(fù)載平衡因子波動范圍更小，均值更大，說明網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載更平衡。

圖5 負(fù)載平衡因子隨時間的變化Fig.5 Change of LBF with time

圖6 網(wǎng)絡(luò)存活時間對比Fig.6 Contrast of the number of alive nodes

圖7 數(shù)據(jù)傳輸量對比Fig.7 Contrast of the amount of data received

圖8 能量消耗對比Fig.8 Contrast of energy consumption

圖6-8分別從網(wǎng)絡(luò)存活時間、基站收到的數(shù)據(jù)總量和能量消耗情況3個方面將新算法與LEACH算法進(jìn)行了比較。由圖5可見，局域按需簇維護(hù)算法的網(wǎng)絡(luò)存活時間為665 s，超過LEACH算法的存活時間525 s，增加了約26.7%;由圖6可知，局域按需簇維護(hù)算法中基站收到的數(shù)據(jù)包有65 928個，超過LEACH算法的數(shù)據(jù)包總數(shù)52 374個，增加了25.9%;由圖7可見，在能量消耗方面，隨著時間的增加，局域按需簇維護(hù)算法比LEACH算法能量消耗更小，在給定能量耗盡時，局域按需簇維護(hù)算法所支持的網(wǎng)絡(luò)存活時間持續(xù)更長。

4 結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)的生命周期一直是技術(shù)開發(fā)人員關(guān)注的焦點，本文基于目前得到普遍接受的分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)，提出并建立了局域按需簇維護(hù)算法，實現(xiàn)了基于能量閾值的非周期性、局域范圍內(nèi)的簇頭輪換，能解決傳統(tǒng)方法存在的能量浪費問題。與典型的LEACH算法的周期性時間驅(qū)動和整網(wǎng)簇頭輪換方法相對比，仿真結(jié)果表明，本文提出的局域按需簇維護(hù)算法可有效提高負(fù)載平衡性、降低能量消耗，在網(wǎng)絡(luò)存活時間和數(shù)據(jù)采集量上都優(yōu)于LEACH算法。本文提出的動態(tài)TDMA時隙調(diào)度方法，還能對節(jié)點的退出或死亡做出快速響應(yīng)，可確保網(wǎng)絡(luò)鏈路得到快速修復(fù)。

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