肖利平，全臘珍，余 波

(1.湘潭大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖南 湘潭410000;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410000;3.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410000)

0 引 言

無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless video sensor networks，WVSNs)是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，由一組具有感知、計(jì)算和通信能力的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)組成的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］。由于無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的能量資源和計(jì)算能力有限，部署于惡劣的環(huán)境中，電池不能再次充電，如何高效利用節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是通信協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［2］。一個(gè)合理的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，其中，LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)通信協(xié)議是使用最為廣泛的一種經(jīng)典分層路由協(xié)議［3］。LEACH 協(xié)議是第一個(gè)基于分簇的通信協(xié)議，其采用集中式分簇方式，通過引入“輪”的思想，即通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和一個(gè)設(shè)定好的門限值相比較，小于當(dāng)前輪的節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為簇首，相鄰節(jié)點(diǎn)間動(dòng)態(tài)地形成簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將信息匯聚于簇首，然后簇首將匯聚信息發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)(Sink)［4］。然而在實(shí)際應(yīng)用中，LEACH 協(xié)議存在許多不足，如選簇首時(shí)，沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被選舉為簇首的概率相等，這樣導(dǎo)致當(dāng)能量少的節(jié)點(diǎn)被選為簇首時(shí)，使簇首容易過早死亡［5］。為了克服LEACH協(xié)議的不足，降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高節(jié)點(diǎn)能量的利用率，許多學(xué)者提出許多改進(jìn)的LEACH 協(xié)議，如文獻(xiàn)［6］提出了基于簇首競(jìng)爭(zhēng)的非均勻簇路由協(xié)議(DEEC);文獻(xiàn)［7］提出了綜合節(jié)點(diǎn)位置與剩余能量的非均勻簇路由協(xié)議;文獻(xiàn)［8］提出了基于最優(yōu)跳數(shù)選擇簇首的非均勻簇路由協(xié)議;文獻(xiàn)［9］提出了基于監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行梯度劃分簇的非均勻簇路由協(xié)議，但是這些算法存在不同程度的不足，性能有待進(jìn)一步提高。

本文提出一種基于相關(guān)性感知的路由協(xié)議(correlationaware routing protocol，CARP)。該協(xié)議首先對(duì)LEACH 協(xié)議的工作原理進(jìn)行分析，然后結(jié)合視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)容的相關(guān)性進(jìn)行改進(jìn)和完善，最后在Matlab 2012 平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行分析和評(píng)估。仿真結(jié)果表明:相對(duì)于LEACH 協(xié)議，CARP 可以保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間。

1 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與模型

1.1 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，主要包括簇首節(jié)點(diǎn)、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)、Sink 節(jié)點(diǎn)。

無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of WVSNs

1.2 無線視頻傳感器能耗模型

CARPC 算法中節(jié)點(diǎn)的能量消耗采用無線傳輸能量消耗模型計(jì)算，節(jié)點(diǎn)發(fā)送k bit 數(shù)據(jù)的耗能為

節(jié)點(diǎn)接收k bit 數(shù)據(jù)的耗能為

其中，k 為數(shù)據(jù)bit 數(shù)，d 為通信的距離，Eelec為收發(fā)電路的基本功耗系數(shù)，εfs，εamp分別為自由空間和多徑衰落信道模型功率放大器的能量消耗常數(shù)。

簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，處理l bit 數(shù)據(jù)，需要能量為

1.3 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知模型

視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)是有向傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型實(shí)例，即節(jié)點(diǎn)的感知范圍是一個(gè)以節(jié)點(diǎn)為圓心、半徑為其感知距離的扇形區(qū)域，其感知模型如圖2 所示。其中，p(x，y)表示有向傳感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，R 表示節(jié)點(diǎn)的最大傳感范圍，即傳感半徑，V 表示節(jié)點(diǎn)在某時(shí)刻t 時(shí)的傳感方向，α 表示邊界距離傳感向量V 的傳感夾角，2α 代表傳感區(qū)域視角。

圖2 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知模型Fig 2 Aware model of WVSNs node

2 CARP 設(shè)計(jì)

針對(duì)LEACH 協(xié)議存在的不足，CARP 從簇首節(jié)點(diǎn)選擇、簇的形成、節(jié)點(diǎn)感知方向的調(diào)整、簇內(nèi)通信以及簇間通信等幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 簇首的選取

首先將無線視頻監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成多個(gè)扇形區(qū)域，并標(biāo)上扇形區(qū)域標(biāo)記，然后將節(jié)點(diǎn)ID 與其所在環(huán)形區(qū)域標(biāo)記對(duì)應(yīng)，整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域形成了以基站為圓心的弧形方塊，每一個(gè)弧形方塊區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)簇，在無線視頻傳感器的每一個(gè)簇中，簇首能量消耗最大，主要因其負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和相鄰簇?cái)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。CARP 綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)與Sink 節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行簇首的選擇，具體為:首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量，若剩余能量低于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的平均值，則退出簇首節(jié)點(diǎn)競(jìng)選，不然計(jì)算節(jié)點(diǎn)與Sink 節(jié)點(diǎn)之間距離，若該距離大于其它節(jié)點(diǎn)到基站的距離則退出簇首節(jié)點(diǎn)競(jìng)選，從而提高了能量較高節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首的概率，有效降低了能量較低的節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率，使能耗更加均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.2 簇的形成

在無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)工作過程中，根據(jù)能量消耗模型可知，通信距離越遠(yuǎn)，那么，傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量就相應(yīng)越多，為此，基于節(jié)約通信能量消耗的原則，通過比較節(jié)點(diǎn)與各個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的距離，采用“舍遠(yuǎn)求近”原理選擇距離相對(duì)較近節(jié)點(diǎn)作為本簇簇內(nèi)成員，具體如圖3 所示。

圖3 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)成員的選取Fig 3 Cluster members selection of WVSNs

2.3 基于虛擬勢(shì)場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)感知方向調(diào)整

在無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用隨機(jī)方式產(chǎn)生傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，但是這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分布極不均勻，有的區(qū)域可能覆蓋不到，具體如圖4 所示。

圖4 無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的初始分布Fig 4 Initial distribution of WVSNs nodes

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)部署成本，所有部署的傳感器節(jié)點(diǎn)都具有移動(dòng)能力是不現(xiàn)實(shí)的，另外，傳感器節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)極易引起部分傳感器節(jié)點(diǎn)的失效，進(jìn)而造成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，這些無疑都會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。為此，本文基于傳感器節(jié)點(diǎn)位置不變、傳感方向可調(diào)的假設(shè)，采用虛擬勢(shì)場(chǎng)的思想增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)覆蓋率，通過調(diào)節(jié)所有節(jié)點(diǎn)的感知方向使覆蓋區(qū)域盡可能的擴(kuò)大，感知方向調(diào)整后的效果如圖5 所示。

圖5 感知方向調(diào)整后的效果Fig 5 Effect after sensing direction adjusting

2.4 簇內(nèi)通信

在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信過程中，首先計(jì)算簇首距離基站的距離與距離基站的最大距離之比，即有

其中，dig為第i 個(gè)簇首距離網(wǎng)關(guān)的距離。

如果Φi＜0.6，表示簇首與基站之間的間隔比較近，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，采用單跳方式進(jìn)行通信，如果Φi＞0.6，這表示簇首與基站之間的間隔比較遠(yuǎn)，則計(jì)算簇分散系數(shù)ηi，具體公式如下

2.5 簇間通信

簇間通信與LEACH 算法相似，具體如圖6 所示。簇首將融合數(shù)據(jù)沿鏈路向基站發(fā)送，每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)上一級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)先進(jìn)行融合，然后再發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真環(huán)境與場(chǎng)景設(shè)置

圖6 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)簇間的通信方式Fig 6 Communication modes among clusters for WVSNs

為了測(cè)試CARP 協(xié)議的有效性和優(yōu)越性，在P4 雙核2.85 GHz CPU 4GRAM，Windows XP 操作系統(tǒng)，Matlab 2012平臺(tái)下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并采用LEACH 協(xié)議和DEEC 協(xié)議進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，從網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、節(jié)點(diǎn)覆蓋率、網(wǎng)絡(luò)能量的消耗等方面進(jìn)行性能分析。仿真場(chǎng)景為:在一個(gè)100 m×100 m的矩形區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)分布100 個(gè)無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為4 000 bits，節(jié)點(diǎn)的初始能量為0.5 J，εfs為0，εamp為0.001 3 pJ/bit/m4，Eelec為50 nJ/bit，EDA為50 nJ/bit。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

在初始狀態(tài)相同的條件下，LEACH，DEEC，CARP 的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間變化曲線如圖7 所示。從圖7 可知，相對(duì)于LEACH，DEEC 協(xié)議，CARP 的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間明顯延長(zhǎng)，這主要是由于CARP 采用最優(yōu)簇首選擇方式，降低了剩余能量比較小的節(jié)點(diǎn)作為簇首的概率，增加了能量較高的節(jié)點(diǎn)被選為簇首的概率，并通過改進(jìn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的簇間、簇內(nèi)通信方式，大幅度降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗更加均勻，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖7 不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比Fig 7 Network lifetime comparison of different protocols

一般當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中80%的節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，整個(gè)無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)就無效，表1 分別列出了節(jié)點(diǎn)死亡10%，50%，80%時(shí)三種協(xié)議已經(jīng)存活的輪數(shù)，從表1 可知，CARP 能夠保證剩余能量較大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先擔(dān)任簇首，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到降低和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。

表1 不同協(xié)議的節(jié)點(diǎn)死亡情況Fig 1 Nodes death situation of different protocols

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率比較

在初始狀態(tài)相同條件下，LEACH，DEEC，CARP 的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率變化曲線如圖8 所示。從圖8 可知，相對(duì)于LEACH，DEEC 協(xié)議，CARP 的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率得到大幅度提升，這主要是由于CARP 通過虛擬勢(shì)場(chǎng)思想自適應(yīng)調(diào)整無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的感知方向，增強(qiáng)了傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋率。

圖8 不同協(xié)議的監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋率對(duì)比Fig 8 Monitoring area coverage rate comparison of different protocols

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)能耗比較

LEACH，DEEC，CARP 的節(jié)點(diǎn)剩余能量方差分布如圖9 所示，從圖9 可知，相對(duì)于LEACH，DEEC 協(xié)議，CARP 的節(jié)點(diǎn)剩余能量更加均衡，這主要是LEACH，DEEC 協(xié)議沒有簇首選擇和通信過程中沒有考慮各節(jié)點(diǎn)的能量均衡問題，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程無線傳感器節(jié)點(diǎn)的分化十分明顯，節(jié)點(diǎn)間能量消耗差別較大，這樣當(dāng)剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)作為簇首時(shí)，則節(jié)點(diǎn)死亡速度加快，縮短了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，而本文算法充分考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)的之間能量差異，較好地保證了各節(jié)點(diǎn)之間能耗均衡，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。

圖9 不同協(xié)議的能量消耗變化曲線Fig 9 Energy consumption change curve of different protocols

4 結(jié)束語

為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，提高無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)能量的利用率，提出了CARP，該協(xié)議從簇首選擇、簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的形成、節(jié)點(diǎn)感知方向的調(diào)整以及簇內(nèi)、簇間的通信方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，并通過與當(dāng)前經(jīng)典的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行仿真對(duì)比測(cè)試，分析CARP 的性能。仿真結(jié)果表明:CARP 不僅可以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，而且增大了監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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