姜 姍

(河南中醫(yī)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450000)

0 引 言

現(xiàn)代海上各種不同的信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的交互一般利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。如海上氣象傳感網(wǎng)絡(luò)，利用各種類型的氣象傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器等對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至信息處理中心，經(jīng)過處理后展現(xiàn)給用戶［1］。而海上信息系統(tǒng)中，能源的供給相對于陸地是較為緊張的資源，所以如何在有限的資源內(nèi)最大限度的傳輸數(shù)據(jù)是衡量無線傳感網(wǎng)重要的性能指標。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)算法中，各種不同類型的傳感器對采集的信息進行單獨傳輸，網(wǎng)絡(luò)能耗較大，數(shù)據(jù)傳輸效率較低。現(xiàn)在的解決方法之一，是按照傳感器的類型或者傳感器的位置，對網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器進行分類，每一類歸為一簇，單點的數(shù)據(jù)傳輸在簇內(nèi)進行，而簇與信息中心的數(shù)據(jù)交互通過簇首完成，有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量，并增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

本文在研究現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出一種基于動態(tài)聚簇結(jié)構(gòu)［2］的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用負載均衡原理在簇中進行簇首節(jié)點的輪詢，有效地平衡了單個節(jié)點的能量消耗，增加了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最后對算法進行仿真。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理及架構(gòu)

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般由成百上千的傳感器及一個信息處理中心組成。傳感器對物理數(shù)據(jù)進行采集，通過多跳的方式對數(shù)據(jù)信息傳輸，信息處理中心接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行融合處理。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于簇的無線傳感網(wǎng)模型Fig.1 The model of the wireless sensor network based on cluster

與傳統(tǒng)的傳感器相比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下特點:

1)傳統(tǒng)的傳感器與被采集目標物之間距離較短，并且較易收到海面環(huán)境噪聲的影響，從而降低數(shù)據(jù)采集的精度。而現(xiàn)代的傳感網(wǎng)絡(luò)，無傳感器與被測目標物可以有較遠的距離，并且無線傳感器對同一目標物進行自組織采集，通過分析各傳感器之間的數(shù)據(jù)誤差來判斷環(huán)境噪聲的影響，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集精度。

2)傳統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過多跳的方式［3］直接發(fā)送至信息處理中心，在信息處理中心進行數(shù)據(jù)的融合，這樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎妮^高且傳輸效率較低。現(xiàn)代無線傳感網(wǎng)絡(luò)，往往對成百上千的無線傳感器進行排序，并按照一定的規(guī)則組成簇網(wǎng)絡(luò)，采集的數(shù)據(jù)在簇內(nèi)發(fā)送至簇首節(jié)點，簇首節(jié)點先進行數(shù)據(jù)融合預(yù)處理，然后統(tǒng)一發(fā)送至信息中心。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成

在現(xiàn)代的傳感網(wǎng)絡(luò)中，單一的傳感器在組網(wǎng)中預(yù)先被放置在特定位置，傳感器中包含微型的處理器及無線路由功能。通過微型處理器控制傳感器的采集信息中的效數(shù)據(jù)，然后通過路由功能把數(shù)據(jù)集中傳輸給中心節(jié)點。所有傳感器節(jié)點集微處理器、物理感知器、無線路由器及數(shù)據(jù)存儲器于一身，本身即為一個小型的計算機系統(tǒng)。

無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.2 The wireless sensor node structure

如圖2 所示，海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最大的是電源的限制，因為海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)都是配備電池，一次性大量替換電池的成本十分昂貴。如何在有限的電力供應(yīng)下，最大限度的提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸線效率及使用壽命是海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)最重要的研究方向。在本文基于動態(tài)簇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法中，利用負載均衡的原理，盡量平衡每個節(jié)點的能量使用，并且大部分數(shù)據(jù)傳輸在簇內(nèi)進行，有效的降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑瑥亩鴾p少了網(wǎng)絡(luò)能量的消耗。

2 基于動態(tài)簇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)算法

2.1 無線傳輸模型

在本傳輸結(jié)構(gòu)中，假設(shè)數(shù)據(jù)通信信通中的發(fā)射和接收模塊發(fā)送每比特數(shù)據(jù)的功率消耗Eelec=50 nJ/bit，為最大限度的消除海上的環(huán)境噪聲所需要的放大器功率消耗為Eelec= 100 pJ/bit/m2，并且信號發(fā)射功率與距離的平方線性相關(guān)，若發(fā)送距離為d，發(fā)送數(shù)量為kbit，則能量消耗有如下公式［4］:

接收端的功率消耗為:

其模型如圖3 所示。分析可知，若要減少整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的耗能，則必須盡量減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，同時減少數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)。

2.2 動態(tài)簇的傳輸原理

在無線傳感器中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c是:當2個傳感器之間的距離較近時，則在它們之間的信息傳輸耗能最小。

圖3 海上無線傳輸模型Fig.3 Wireless transmission model on the sea

本文對網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器按照離基站節(jié)點的距離遠近按簇進行劃分。在簇中，則分為普通節(jié)點及簇首節(jié)點，簇首節(jié)點負責整個簇的數(shù)據(jù)搜集，并進行數(shù)據(jù)融合，最終數(shù)據(jù)傳輸是在簇首與基站節(jié)點之間進行，若距離較遠，則需要通過其他簇中的簇首節(jié)點進行路由連接，完成多跳傳輸。

在簇內(nèi)，簇首并不是固定不變的，而是按照如下規(guī)則進行輪詢:在簇中，每個節(jié)點隨機選擇一個介于0 ～1 之間的數(shù)值，并設(shè)定一個閥值T(n)，如果隨機值小于閥值，則將之置為簇首節(jié)點。閥值的選擇公式如下:

在本文的按簇協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸分為初始換過程、穩(wěn)態(tài)過程及簇首節(jié)點輪詢過程3 個過程。下面進行詳細描述。

1)初始化階段

在初始化階段，每個傳感器利用自身的監(jiān)控器對周邊的節(jié)點進行信息的判斷，如傳感器的類型、功能及路由性能等參數(shù)，然后結(jié)合周邊和自身性能相似的節(jié)點自發(fā)的組成一簇。當整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)按照簇進行劃分完畢后，則在每簇中進行簇首節(jié)點的選擇，最先被選擇為簇首節(jié)點的原則是傳感器的剩余能量、路由功能及與基站節(jié)點的距離遠近的一些列參數(shù)的最優(yōu)節(jié)點。當簇首節(jié)點選擇完畢后，在簇中進行數(shù)據(jù)傳輸時隙、信道的分配。步驟如下:

①初始化時，當簇首選擇完畢后，普通傳感器節(jié)點通過一個固定頻率的信道來和簇首節(jié)點建立連接，簇首節(jié)點通過此信道傳輸控制信息，建立連接前需要偵聽到k 個Tframe時隙的數(shù)據(jù)。

②若在k 個Tframe時隙內(nèi)，接收到簇首節(jié)點傳輸?shù)目刂菩畔?，則表明此普通節(jié)點已經(jīng)歸入簇結(jié)構(gòu)中，并且此簇中已有簇首節(jié)點，則普通傳感器節(jié)點向簇首節(jié)點進行注冊，當簇首接收到普通節(jié)點的注冊消息時，則查詢自身的時隙分配表，時隙分配表中記錄了已經(jīng)分配及未分配的信道及時隙，若有未分配的信道及時隙，則選擇一個時隙發(fā)送給普通節(jié)點。普通節(jié)點接收到返回的消息后，發(fā)送應(yīng)答消息，并且打開自身的數(shù)據(jù)傳輸單元，進行數(shù)據(jù)傳輸。

若上述過程有一個失敗，則此普通節(jié)點在本輪中不進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，而等待下一輪重新進行上述請求。

通過上述分析，普通節(jié)點只有當分配了信道及時隙后，才打開自身的數(shù)據(jù)傳輸單元，而未分配時，則關(guān)閉。有效地節(jié)省了自身節(jié)點的能量。

圖4 為初始化階段的過程圖。

圖4 算法初始化過程圖Fig.4 The algorithm initialization process map

2)穩(wěn)態(tài)過程

當初始化階段完成后，簇首節(jié)點通過約定的信道向簇內(nèi)其他節(jié)點發(fā)送控制查詢信息，消息體包含用戶的需求信息。簇內(nèi)節(jié)點接收到此信息后，自發(fā)的與簇首節(jié)點建立連接，并根據(jù)初始化分配好的時隙及信道發(fā)送用戶需要的采集信息。簇首節(jié)點接收到采集信息后，則利用自身的處理器預(yù)先進行融合處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站節(jié)點。

3)簇首節(jié)點輪詢過程［5］

由于簇首節(jié)點負責了整個簇內(nèi)數(shù)據(jù)的融合及數(shù)據(jù)發(fā)送功能，其耗能較大，簇首節(jié)點通過監(jiān)視模塊對自身的能量消耗進行檢測，當發(fā)送自身的所剩能量達到一個臨界值時，則向簇內(nèi)節(jié)點進行廣播，放棄成為簇首節(jié)點;同時，向簇內(nèi)其他查詢各節(jié)點的所剩能量，并選擇一個能量最大的節(jié)點來接替自身的職責。

通過簇首節(jié)點輪詢過程，對簇中所有節(jié)點進行能量的負載均衡，有效地提高了整個網(wǎng)絡(luò)能量的利用率并延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 算法仿真

本文對基于動態(tài)簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)算法進行仿真。首先建立一個區(qū)域大小為50 ×50 單位的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)空間，并在空間中隨機部署100 個無線傳感器，整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于如下設(shè)定:

1)一旦在區(qū)域內(nèi)對傳感器部署好后，則不再進行位置的變動，這也符合海上物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實際情況。

2)海上無線基站則固定在區(qū)域外離傳感器節(jié)點不遠的一個恒定坐標位置。

3)所有單個傳感器所含能量相等，并且信息處理能力、路由能力相似。

4)節(jié)點沒有導(dǎo)航功能，即不能通過導(dǎo)航知道各節(jié)點離基站節(jié)點的距離遠近。

最后給出傳統(tǒng)算法與基于動態(tài)簇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量消耗曲線圖。

圖5 本文算法與傳統(tǒng)算法能量消耗比較曲線圖Fig.5 The comparison chart of energy consumption

4 結(jié) 語

在現(xiàn)代海上物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集及傳輸應(yīng)用越來越多，而由于海上無傳感器能量供給的限制，傳統(tǒng)的基于單節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代海洋信息系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)要求。

本文在研究了現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出了一種基于動態(tài)聚簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并進行了仿真。

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