摘 要：在核輻射監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸與聚合等任務(wù)，減小能耗從而延長(zhǎng)其生命周期成為其關(guān)鍵問(wèn)題。本文在LEACH算法的基礎(chǔ)上提出ECLEACH改進(jìn)算法，算法考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)傳輸距離等因素，使得簇頭節(jié)點(diǎn)的分布更加均勻，仿真結(jié)果表明，與LEACH算法相比較，ECLEACH算法使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗更加均衡，有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)聚合；核輻射監(jiān)測(cè)；LEACH；剩余能量

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5；TP274

基于WSN的核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將核輻射探測(cè)器裝置與傳感器節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，探測(cè)器裝置負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)信息，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳方式或者多跳方式把數(shù)據(jù)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到用戶(hù)。該系統(tǒng)存在大范圍、多點(diǎn)位和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能更換電池，如何減低能耗以避免因能源耗盡而使監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)失效成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是解決資源限制的有效方法，其思想是融合來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的信息，去除冗余信息，減小傳輸數(shù)據(jù)量，從而達(dá)到節(jié)省能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高數(shù)據(jù)收集效率和準(zhǔn)確度的目的，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

1 相關(guān)工作

在層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，基于簇的數(shù)據(jù)融合方法得到了廣泛的關(guān)注。它將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組織成若干個(gè)簇區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到它所在簇的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)簇內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點(diǎn)。LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）是一種經(jīng)典的基于簇的數(shù)據(jù)收集協(xié)議。它的執(zhí)行過(guò)程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段與穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，相鄰節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地形成簇，為了將能量負(fù)載均勻地分配到各節(jié)點(diǎn)上，在每一輪中對(duì)簇頭進(jìn)行輪換，隨機(jī)產(chǎn)生簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇頭將聚合其收到的各成員節(jié)點(diǎn)的采集信息，并將聚合信息直接傳輸?shù)交?。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)能等概率地?fù)?dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)，均衡了網(wǎng)絡(luò)整體能耗，且減少了與基站直接通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及通信量，LEACH協(xié)議可以有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是，LEACH算法也存在很多不足，如沒(méi)有考慮剩余能量、簇頭分布不均勻、簇頭數(shù)量不穩(wěn)定等。

2 算法改進(jìn)

2.1 能量模型

本文假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)和基站的位置固定，基站節(jié)點(diǎn)具有無(wú)限的能源供應(yīng)，其它的傳感器節(jié)點(diǎn)具有相等的初始能量值；所有節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置信息，并且可以感知剩余能量。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算和通信能量模型采用一階順序通信模型。

Etx（k，d）=Eelec×k+εamp×k×d2 （1）

Erx（k）=Eelec×k （2）

Etx（k，d）為發(fā)送k位數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量，Erx（k）為接收k位數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量，k為收發(fā)數(shù)據(jù)的倍數(shù)，d為數(shù)據(jù)傳輸距離，Eelec為收發(fā)電路收發(fā)一位數(shù)據(jù)耗散的能量，在本文中，假定傳輸距離d少于距離門(mén)限值，故采用自由空間功率損耗模型，εamp為自由空間功率損耗模型信號(hào)放大器的放大倍數(shù)。則從源節(jié)點(diǎn)i經(jīng)過(guò)距離k發(fā)送k位數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)j所消耗的能量Ei，j（k，d）為：

Ei，j（k，d）=Etx（k，d）+Erx（k）=k×（2×Eelec+εamp×d2） （3）

2.2 算法改進(jìn)與描述

在基于簇的數(shù)據(jù)融合方法中，簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)任著數(shù)據(jù)聚合（如求和、求均值、取最大或最小值），與簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)及基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，能量消耗很快，如何減少簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗及在網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間均衡消耗能量成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。數(shù)據(jù)聚合任務(wù)消耗能量與簇頭節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，因此，簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量與簇頭節(jié)點(diǎn)到簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的距離及到基站節(jié)點(diǎn)的距離密切相關(guān)。

由于LEACH的簇首選舉過(guò)程中沒(méi)有充分考慮剩余能量和距離因素，選擇簇首具有隨機(jī)性，導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)分布不均勻，進(jìn)而擴(kuò)大了各簇頭節(jié)點(diǎn)消耗能量的差距。我們提出一個(gè)ECLEACH算法，由于基站擁有無(wú)限的資源，如功率供應(yīng)、存儲(chǔ)和計(jì)算等，ECLEACH采用集中式的簇頭節(jié)點(diǎn)選擇辦法，基站負(fù)責(zé)簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇。我們定義各候選簇頭節(jié)點(diǎn)的閾值T（n）如下：

T（n）= （4）

其中，RE（n）為傳感器節(jié)點(diǎn)n的剩余能量，m為網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，D（i，n）為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)n間的距離，當(dāng)i=n時(shí)D（i，n）取值0，RE（i）為傳感器節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。由式（4）可以看出，閾值T（n）與兩個(gè)因素有關(guān)：1）與候選簇頭節(jié)點(diǎn)n自身的剩余能量成正比，剩余能量多的候選簇頭節(jié)點(diǎn)能以更高的概率當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)；2）與網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)到候選簇頭節(jié)點(diǎn)的距離跟它們的剩余能量的除數(shù)之和成反比，距離低剩余能量值傳感器節(jié)點(diǎn)比較近的候選簇頭節(jié)點(diǎn)能優(yōu)先當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)，低剩余能量值傳感器節(jié)點(diǎn)因距離簇頭節(jié)點(diǎn)較近從而減少了它們的能量消耗，延長(zhǎng)它們的生存周期。簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇算法如下：

Step1 在每一輪的開(kāi)始為網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算閾值T（n），并遞減排序；

Step2 選擇所有傳感器節(jié)點(diǎn)中閾值最高的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)加入簇頭節(jié)點(diǎn)集合；

Step3 比較當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)與它的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，如果距離大于或等于MDBECHAN（兩相鄰簇頭節(jié)點(diǎn)最小距離），則將該節(jié)點(diǎn)加入簇頭節(jié)點(diǎn)集合，并使之作為當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)，如果距離小于MDBECHAN，則取它的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)Step3，本步驟一直進(jìn)行到所有簇頭節(jié)點(diǎn)集合滿(mǎn)或者再也找不到滿(mǎn)足條件的節(jié)點(diǎn)為止；

Step4 如果簇頭節(jié)點(diǎn)集合未滿(mǎn)，則調(diào)整（減小）MDBECHAN的值，轉(zhuǎn)Step3，一直到簇頭節(jié)點(diǎn)集合滿(mǎn)；

Step5 基站廣播新一輪簇頭節(jié)點(diǎn)列表。

簇頭節(jié)點(diǎn)選擇算法偽代碼如下：

1 for n = 0 to NOSN-1 do //計(jì)算各傳感器節(jié)點(diǎn)閾值T（n）；

2 Initialize Sum to 0；

3 for i = 0 to NOSN-1 do

4 Sum = Sum + DList （i，n）/RE（i ）

5 end

6 TList （n） = RE（n）/Sum ；

7 end

8 Sort （Tlist）； //對(duì)Tlist按T（n）減序進(jìn)行排序；

9 NLSNSCH= NNlist （0） ；CHlist .add（NLSNSCH）； //將T（n）值最大的節(jié)點(diǎn)加入簇頭節(jié)點(diǎn)集合；

10 n= 1；

11 do //查找滿(mǎn)足條件的其它傳感器節(jié)點(diǎn)并加入簇頭節(jié)點(diǎn)集合

12 if Tlist （n）.isnotcluster and DList （NNlist （n）， NLSNSCH） ≥ MDBECHAN then

13 CHlist .add（NNlist （n））；

14 NLSNSCH = NNlist （n）；

15 else

16 n=（n+1） mod NOSN；

17 end

18 until CHlist.isfull；

其中，NOSN：傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；DList：傳感器節(jié)點(diǎn)間距離表；Tlist：傳感器節(jié)點(diǎn)閾值表；NNlist：Tlist中各傳感器節(jié)點(diǎn)閾值的節(jié)點(diǎn)編號(hào)表；CHlist：被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的傳感器編號(hào)表；RE（i）：傳感器節(jié)點(diǎn)SNi的剩余能量；Sort（Tlist）：對(duì)Tlist按減序進(jìn)行排序函數(shù)；MDBECHAN：每相鄰簇頭節(jié)點(diǎn)間最小距離；NLSNSCH：最后選為簇頭節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

3 仿真與結(jié)果分析

在本文中，我們用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量改進(jìn)算法ECLEACH與LEACH的性能：第一節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間和平均剩余能量。第一個(gè)指標(biāo)需要最大化，因?yàn)槊總€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的一個(gè)重要組成部分，失去它意味著失去這塊區(qū)域的數(shù)據(jù)。而第二個(gè)指標(biāo)需要最小化，平均剩余能量是所有傳感器剩余能量的總和除以傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量，這個(gè)指標(biāo)在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)計(jì)算，如果這個(gè)度量小，意味著在所有的傳感器節(jié)點(diǎn)間有一個(gè)更好的平衡能源消費(fèi)方式。

在本實(shí)驗(yàn)中，所有傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100×100m2的區(qū)域內(nèi)，基站節(jié)點(diǎn)位置固定在位置（0，0），傳感器節(jié)點(diǎn)最初的能量為5J，無(wú)線(xiàn)傳輸范圍為150米，傳感器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)大小相等都為500字節(jié)，廣播消息為100字節(jié)，廣播消息包含當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn)信息。每輪的時(shí)間間隔為100分鐘，Eelec為50×10?9J，εamp為100×10?12J。

在實(shí)驗(yàn)方案一中，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量固定為100，而簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量介于5和40（5、10、20、30、40）之間，MDBECHAN設(shè)置為50米，不同簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)性能的影響如圖1所示。

圖1 不同簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)兩種協(xié)議第一節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間及平均剩余能量比較

從圖1可以看出，ECLEACH的性能比LEACH要好，這是兩個(gè)原因造成的。首先，ECLEACH不是隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，而是根據(jù)自身的剩余能量、其它節(jié)點(diǎn)的剩余能量及到其它節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)決定的，其次，ECLEACH簇頭節(jié)點(diǎn)間有一個(gè)最小距離的約束，因此，簇頭節(jié)點(diǎn)的分布更加的均勻，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以找到一個(gè)更近的簇頭，從而減少能源消耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

在實(shí)驗(yàn)方案二中，簇頭節(jié)點(diǎn)的比例是固定的（為傳感器節(jié)點(diǎn)的10%），而傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在50和400（50、100、200、300和400）之間變化。MDBECHAN設(shè)置為60米，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的變化對(duì)性能的影響如圖2所示。

圖2 不同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)兩種協(xié)議第一節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間及平均剩余能量比較

從圖2可以看出，第一節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間和平均剩余能量這兩個(gè)指標(biāo)都隨著傳感器節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增大而變得更好。原因是在同一大小的網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間傳輸距離的縮短，因此減少了能源消耗。同理，ECLEACH的性能比LEACH要好。

4 結(jié)束語(yǔ)

在核輻射監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸與聚合等任務(wù)，減小能耗從而延長(zhǎng)其生命周期成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文在 LEACH 算法的基礎(chǔ)上提出ECLEACH改進(jìn)算法，算法基于候選簇頭節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)傳輸距離、其它節(jié)點(diǎn)剩余能量去選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，兩簇頭節(jié)點(diǎn)間必須滿(mǎn)足最小距離的要求，以至于簇頭節(jié)點(diǎn)的分布更加均勻。仿真結(jié)果表明，ECLEACH算法在第一節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間及平均剩余能量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)上優(yōu)于LEACH算法，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗更加均衡，有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。使得基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境。

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作者簡(jiǎn)介：李悛（1974-），男，湖南衡陽(yáng)人，教師，碩士，研究方向：傳感器網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001；衡陽(yáng)財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（No.11C1096）。