王 偉

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長(zhǎng)距離帶狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

王 偉

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

帶狀網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)帶狀特性會(huì)影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)“熱區(qū)”。針對(duì)該問(wèn)題，提出一種能量均衡的多跳路由協(xié)議CRLDB。該協(xié)議主要采用非均勻分簇的思想，引入備選簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑的概念和相應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)策略，并加入最優(yōu)簇首個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)剩余能量和周?chē)従庸?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的簇首選擇機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)的剩余能量和傳輸能量達(dá)到平衡。NS2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與LEACH和LEACH-C協(xié)議相比，CRLDB在網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間、整體能耗和基站收到的數(shù)據(jù)量這3個(gè)性能指標(biāo)上有較大程度的提高，能更好地均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇；長(zhǎng)距離帶狀網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；CRLDB協(xié)議；簇首

1 概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)[1]由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)通過(guò)本身的各種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信的方式，傳遞信息到目的地，共同完成某一目標(biāo)的智能型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，對(duì)人類(lèi)的社會(huì)生活和工業(yè)變革造成巨大的影響[2]。

WSN節(jié)點(diǎn)具有能量有限的特點(diǎn)，因此，WSN路由協(xié)議一直是研究的熱點(diǎn)，如何提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為其主要目標(biāo)[3]。在以往的研究中，已經(jīng)有很多種路由協(xié)議，如定向擴(kuò)散協(xié)議DD(Directed Diffusion)[4]、自適應(yīng)路由協(xié)議SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)[5]、低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)路由協(xié)議LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[6]、能量高效的路由協(xié)議TEEN(Threshold sensitiveEnergy Efficient sensor Network protocol)[7]、PEGASIS(Power- efficient Gathering in Sensor Information Systems)[8]等協(xié)議。文獻(xiàn)[9]提出了一種能量高效均衡的分布式分簇路由協(xié)議DEBUC(Distributed Energy-balanced Unequal Clustering routing protocol)，采用貪婪算法在鄰居簇頭集合中選擇其中繼節(jié)點(diǎn)，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于雙簇頭交替和壓縮感知的WSN路由協(xié)議DCHACS (Double Cluster Head Alternation and Compressed Sensing)，采用雙簇頭交替機(jī)制分擔(dān)簇頭的負(fù)擔(dān)，簇頭節(jié)點(diǎn)利用壓縮感知理論進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。文獻(xiàn)[11]提出了以非均勻分簇的思想來(lái)均衡簇頭節(jié)點(diǎn)能耗，簇間采用多跳方式，簇內(nèi)通信能耗和成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量成比例關(guān)系，使得所有簇頭的能耗接近，網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡。

但在特定環(huán)境中，如長(zhǎng)距離的街道、帶狀的峽谷、長(zhǎng)帶狀河流、跨江大橋、高速公路、井下巷道等環(huán)境，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要布置成狹長(zhǎng)的帶狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種特殊的長(zhǎng)帶狀網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的WSN路由協(xié)議在此場(chǎng)景下存在局限性，因此，本文設(shè)計(jì)長(zhǎng)帶狀網(wǎng)絡(luò)條件下能量均衡的路由協(xié)議，協(xié)議中采用分簇的結(jié)構(gòu)，通過(guò)大小不等的簇的結(jié)構(gòu)提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 一種能量均衡的多跳路由協(xié)議

本文研究的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為長(zhǎng)距離帶狀，主要應(yīng)用在河流、跨江大橋、煤礦巷道等特殊環(huán)境。因此，本文設(shè)計(jì)一種長(zhǎng)距離帶狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分簇路由協(xié)議(Cluster- based Routing in Long Distance Band-type network, CRLDB)。CRLDB協(xié)議也是基于分簇的路由協(xié)議，但不同于LEACH，由于網(wǎng)絡(luò)呈長(zhǎng)帶狀分布，若采用單跳路由形式，距離匯聚節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能量很容易耗盡。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)動(dòng)態(tài)分簇的形式可以大大地減小網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，把能量的消耗平均在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)上，這樣就可以提高網(wǎng)絡(luò)的有效性，盡可能減少節(jié)點(diǎn)死亡的概率，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。CRLDB協(xié)議采用多跳的形式，以動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行簇首的簇首選舉，簇首一旦確定，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的簇結(jié)構(gòu)便建立起來(lái)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)呈長(zhǎng)帶狀分布時(shí)，信息流一般向一側(cè)流向匯聚節(jié)點(diǎn)，假設(shè)數(shù)據(jù)融合量很小，這樣數(shù)據(jù)流就會(huì)呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量越大，造成的“熱區(qū)”問(wèn)題更為嚴(yán)重。故本文的核心思想是利用非均勻分簇，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)簇的規(guī)模越小，來(lái)解決“熱區(qū)”問(wèn)題，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間達(dá)到增加網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

2.1 基本網(wǎng)絡(luò)模型

為了更有利于協(xié)議的研究，本文給出如下假定：

(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)由個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)(由Sink表示，也可以叫基站)組成，其中普通節(jié)點(diǎn)具有相同的計(jì)算、通信能力和初始能量水平，而匯聚節(jié)點(diǎn)的能量和計(jì)算能力是沒(méi)有限制的。

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)位于帶狀網(wǎng)絡(luò)的一端，網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，所有節(jié)點(diǎn)(包括Sink節(jié)點(diǎn))都是靜止不動(dòng)的。

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)具有全網(wǎng)唯一的ID，同時(shí)鏈路是對(duì)稱(chēng)的，若已知對(duì)方發(fā)射功率，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)送者到自己的近似距離。

(4)節(jié)點(diǎn)可調(diào)整自己的無(wú)線電發(fā)射功率，也就是節(jié)點(diǎn)可根據(jù)通信距離長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整發(fā)射功率的大小。

2.2 能量傳輸模型

本文采用與文獻(xiàn)[12]相同的無(wú)線能量模型，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離小于0時(shí)，采用自由空間模型，發(fā)射功率呈2衰減；否則采用多路徑衰減模型，發(fā)射功率呈4衰減，能量消耗定義如下：

2.3 簇首選取策略

2.4 非均勻簇的建立

在網(wǎng)絡(luò)部署階段，基站節(jié)點(diǎn)以一個(gè)固定的發(fā)送功率向全網(wǎng)內(nèi)廣播一個(gè)Hello信號(hào)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)信號(hào)后，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)計(jì)算它到基站的近似距離n。這個(gè)距離n在本文非均勻分簇中用來(lái)計(jì)算簇的半徑的必要參數(shù)。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)上面的簇首選擇公式計(jì)算成為備選簇首節(jié)點(diǎn)，就可以根據(jù)下面的計(jì)算公式來(lái)算出備選簇首的覆蓋半徑半徑e的大小。

備選簇首半徑e的計(jì)算公式如下：

其中，1、2是普通參數(shù)，0<1、2<1，且有1+2=1，max是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)距離的最大值，min是網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最小值，0為簇的最大半徑。

當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)距離基站最遠(yuǎn)時(shí)，且當(dāng)前節(jié)點(diǎn)剩余能量等于初始能量時(shí)，=max、cur=int，有e=0，此時(shí)簇的范圍最大。隨著節(jié)點(diǎn)與基站距離的減小，簇首的剩余能量的降低，簇的覆蓋范圍隨之也變小，當(dāng)簇首距離基站最近時(shí)，=min，e=20cur/int，式中只有cur為變量，因此，此時(shí)簇的覆蓋范圍隨著節(jié)點(diǎn)的剩余能量的減少而逐漸降低。 同時(shí)也考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的狀況，節(jié)點(diǎn)的剩余能量越高，它的覆蓋半徑越大；反之，節(jié)點(diǎn)的剩余能量越低，它的覆蓋半徑越小，這樣它傳輸?shù)木嚯x就相對(duì)較小，更能節(jié)約能量。備用簇首的覆蓋半徑如圖1所示。

圖1 備選簇首非均勻分簇效果

定義1(競(jìng)爭(zhēng)半徑) 本文定義備選簇首的參數(shù)e的大小為競(jìng)爭(zhēng)半徑。

定義2(簇首的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則) 在競(jìng)選過(guò)程中，若某個(gè)備選簇首成功當(dāng)選，則在它的競(jìng)爭(zhēng)半徑范圍內(nèi)的所有其他備選簇首都退出，從而轉(zhuǎn)變成普通節(jié)點(diǎn)。

圖2給出了一張由4個(gè)備選簇首組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中1、2、3、4為備選簇首節(jié)點(diǎn)。由上面的規(guī)則得出，3和4可以同時(shí)成為最終簇首，而1和2則不能同時(shí)成為最終簇首，因?yàn)?位于1的競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域內(nèi)部，因此，只有1、3、4成為最終簇首，而2轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ü?jié)點(diǎn)。

圖2 備選簇首的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

2.5 簇間數(shù)據(jù)傳輸策略

算法的主要步驟如下：

當(dāng)一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)(假設(shè)為簇首節(jié)點(diǎn))想要發(fā)送數(shù)據(jù)包給基站時(shí)：

(1)選擇能量參數(shù)()，()包含2個(gè)部分：

2)中間節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量，參數(shù)()計(jì)算式如下：

其中，AX是節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離；X?BS是未知節(jié)點(diǎn)到基站(BS)的距離，resX是未知節(jié)點(diǎn)的剩余能量。集合S為簇首節(jié)點(diǎn)下一跳路由的所有可能的簇首節(jié)點(diǎn)。集合S的定義如下：節(jié)點(diǎn)N經(jīng)過(guò)多跳路由傳送數(shù)據(jù)包到基站時(shí)，下一條路由節(jié)點(diǎn)N的集合S為：

(2)從上式中可以得知，當(dāng)cur=int且d=min時(shí)，簇首e的半徑為最大值，即emax=0。所以簇首A以半徑為20向集合S中的簇首發(fā)送自己的ID路由信息，接收簇首在本地計(jì)算()，反饋給簇首。

(3)簇首A得到反饋數(shù)據(jù)后比較()，選擇使()值最小的節(jié)點(diǎn)X，即min()。若通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)X是節(jié)點(diǎn)的話，那么就直接把數(shù)據(jù)傳給基站。否則，選擇未知節(jié)點(diǎn)(這里假設(shè)節(jié)點(diǎn))作為傳輸?shù)交镜囊粋€(gè)中間節(jié)點(diǎn)。

(4)如果節(jié)點(diǎn)被選作中間節(jié)點(diǎn)并從簇首節(jié)點(diǎn)A收到數(shù)據(jù)包的話，接下來(lái)簇首節(jié)點(diǎn)按式(5)繼續(xù)尋找一個(gè)跳的簇首節(jié)點(diǎn)。

(5)重復(fù)步驟(1)~步驟(4)，直到數(shù)據(jù)傳輸給基站為止。

2.6 CRLDB路由協(xié)議的具體過(guò)程

CRLDB路由協(xié)議的具體過(guò)程如下：

階段1網(wǎng)絡(luò)部署

在開(kāi)始階段，讓基站以一定的功率向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)消息Information_MSG。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱估算出自己到基站的近似距離d，在與基站通信時(shí)，依據(jù)這個(gè)距離選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率。在成簇階段，還將利用這個(gè)信息來(lái)均衡簇首的負(fù)載。

階段2簇頭選舉

根據(jù)預(yù)先一個(gè)設(shè)定好的0~1之間的閾值new()，用來(lái)控制參加簇首競(jìng)選的節(jié)點(diǎn)比例。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù)，記為。若new()，則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭備選節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)備選節(jié)點(diǎn)延遲時(shí)間后，在競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)廣播一個(gè)競(jìng)選消息COMPETE_HEAD，內(nèi)容為自身標(biāo)識(shí)符。只有在半徑覆蓋范圍內(nèi)的備選節(jié)點(diǎn)才能接收到此消息。若有備選節(jié)點(diǎn)N接收到備選節(jié)點(diǎn)N廣播的消息后，則N立即放棄競(jìng)選，變成普通節(jié)點(diǎn)。一定時(shí)間后，競(jìng)選消息在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播結(jié)束，表明該階段完成。剩余的備選節(jié)點(diǎn)則成為此輪選舉產(chǎn)生的簇首。

階段3簇類(lèi)形成

簇首在競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)廣播自己成為簇首的消息HEAD_AD，普通節(jié)點(diǎn)接收到此消息后，加入這個(gè)簇首所在的簇，最終形成一個(gè)個(gè)簇類(lèi)。

階段4 數(shù)據(jù)傳輸

簇首頭向所有成員節(jié)點(diǎn)廣播TDMA通信時(shí)隙調(diào)度信息TDMA_SCHEDULE。成員節(jié)點(diǎn)按分配好的TDMA時(shí)隙在某個(gè)時(shí)刻將自己檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首。簇首在接收聚類(lèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，尋找下一跳路由的路徑，規(guī)則是在集合S中尋找一個(gè)使()最小的簇首節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由。以此類(lèi)推，最后形成從簇首到基站的一條或條近似鏈狀的路。

圖3給出了CRLDB路由協(xié)議每一輪算法的流程。

圖3 CRLDB路由協(xié)議算法流程

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 最優(yōu)簇首個(gè)數(shù)Kopt的確定

在上文中提及最優(yōu)簇首o(hù)pt的計(jì)算公式為：

可見(jiàn)最優(yōu)簇首Kopt和節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)到基站的距離等參數(shù)有關(guān)。場(chǎng)景1和場(chǎng)景2節(jié)點(diǎn)與基站的距離分別為：75

圖5 簇首個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間關(guān)系(場(chǎng)景2)

3.2 網(wǎng)絡(luò)的生命周期

圖6和圖7是場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系。可以看出，LEACH、LEACH-C、CRLDB 3種路由協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間的增加，在開(kāi)始一段時(shí)間之后，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐漸死亡，直到所有的節(jié)點(diǎn)全部死亡為止。同時(shí)可以看出，LEACH、LEACH-C的性能相互相近，但LEACH-C的性能比LEACH更好。

圖6 3種路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系(場(chǎng)景1)

圖7 3種路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系(場(chǎng)景2)

3.3 網(wǎng)絡(luò)的總體能耗

圖8與圖9分別給出了在2種場(chǎng)景下，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的變化網(wǎng)絡(luò)所消耗的能量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在場(chǎng)景1中，LEACH、LEACH-C協(xié)議約在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行570 s左右時(shí)網(wǎng)絡(luò)的能量被耗盡，而CRLDB協(xié)議在整體能量被耗盡時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行了超過(guò)800 s，性能提高了約40%。在場(chǎng)景2中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中能量被耗盡時(shí)，CRLDB協(xié)議運(yùn)行時(shí)間分別比LEACH、LEACH-C提高了61%和41%。從而看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，CRLDB的性能更加顯著。

圖8 3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)消耗總能量的關(guān)系(場(chǎng)景1)

圖9 3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)消耗總能量的關(guān)系(場(chǎng)景2)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離帶狀網(wǎng)絡(luò)的分析，提出一種基于非均勻分簇的路由協(xié)議CRLDB，并介紹相關(guān)算法。通過(guò)仿真證明，CRLDB協(xié)議能改善由“熱區(qū)”效應(yīng)帶來(lái)的能量消耗不均衡的問(wèn)題。今后的主要研究方向是在特殊網(wǎng)絡(luò)或者特定環(huán)境下對(duì)WSN路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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編輯 金胡考

Design of Routing Protocol in Long Distance Band-type Wireless Sensor Network

WANG Wei

(CCTEG Shenyang Engineering Co., Ltd., Fushun 113122, China)

Aiming at the problem that characteristics of the long distance band-type network will constrain the effect of general Wireless Sensor Network(WSN) routing protocols, and causes a “hot spot” problem in long distance band-type network, this paper introduces the energy balanced consumption multi-hop routing protocol CRLDB. It takes the idea of non-uniform cluster, concept of competition radius and the corresponding competitive strategy, and joins the number of cluster head node selection mechanism with the optimal number of cluster head, node residual energy and the surrounding neighbors, to balance nodes residual energy and transmission energy. Simulation by NS2 shows CRLDB routing protocol, compared with existing routing protocols Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH), LEACH-C for the survival time in the network, the network’s overall energy consumption and the amount of data received by base stations, CRLDB protocol with several performances in the above has a large improvement, can balance the network’s energy consumption and increase the network’s lifetime.

Wireless Sensor Network(WSN); clustering; long distance band-type network; routing protocol; CRLDB protocol; cluster header

1000-3428(2014)03-0132-05

A

TP393

王 偉(1984－)，男，助理工程師、碩士，主研方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2012-12-14

2013-03-21 E-mail：forrestwang113@gamil.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.027