張潤(rùn)蘭，劉真祥

(1. 貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州電視廣播大學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550004)

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WSN中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真*

張潤(rùn)蘭1，劉真祥2

(1. 貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州電視廣播大學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550004)

Foundation Item:Guizhou Province Natural Science Foundation(No[2011]2204); Guizhou University Graduate Innovation Fund Project (No.2015017)

摘要：對(duì)于節(jié)點(diǎn)部署不均或者節(jié)點(diǎn)死亡而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)盲區(qū)，可通過(guò)在WSN中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)修復(fù)。提出一種修復(fù)策略，可較為及時(shí)、準(zhǔn)確地修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的能量均衡問(wèn)題。在LEACH-M分簇路由算法的基礎(chǔ)上，給出了一種按節(jié)點(diǎn)能量分配工作量的能量均衡分簇路由算法LEACH-M-G，并運(yùn)用MATLAB仿真工具進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，所提出的監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)策略、以及LEACH-M-G路由能有效地修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，均衡網(wǎng)絡(luò)能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞：WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn);監(jiān)測(cè)盲區(qū);路由協(xié)議仿真

0引言

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的實(shí)際應(yīng)用中，由于監(jiān)測(cè)區(qū)域地形和環(huán)境的差異，傳感節(jié)點(diǎn)的初始部署難以完全監(jiān)測(cè)整個(gè)區(qū)域，存在不能被感知的監(jiān)測(cè)盲區(qū)。此外，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，由于簇頭節(jié)點(diǎn)通常要承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，可能導(dǎo)致能量過(guò)快消耗而過(guò)早死亡，也將出現(xiàn)新的監(jiān)測(cè)盲區(qū)。解決好監(jiān)測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，以提高監(jiān)測(cè)覆蓋率、充分利用WSN的性能，一直是WSN應(yīng)用研究的重要內(nèi)容之一[1]。

近年來(lái)，業(yè)界對(duì)WSN監(jiān)測(cè)盲區(qū)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[2]提出一種節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方法來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的全覆蓋，但對(duì)節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡而出現(xiàn)的監(jiān)測(cè)盲區(qū)不能顧及。對(duì)此，文獻(xiàn)[3]提出在傳統(tǒng)的WSN中引入可移動(dòng)的傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)選擇性的目標(biāo)進(jìn)行覆蓋。文獻(xiàn)[4]采用在WSN中加入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)覆蓋洞問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，提出三角形貼片式來(lái)逐步增加移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的方法，但在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限的網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法完成修復(fù)。文獻(xiàn)[5-6]提出一種基于向量代數(shù)的分布式方法和基于誤警率的概率探測(cè)感知模型來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向，通過(guò)感知半徑來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離，節(jié)約了能量消耗但網(wǎng)絡(luò)延遲較大。文獻(xiàn)[7]中考慮移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離和剩余能量來(lái)作為選擇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，基于Voronoi圖的覆蓋增強(qiáng)算法和基于虛擬力的目標(biāo)覆蓋算法進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[8]給出另一種級(jí)聯(lián)的移動(dòng)策略，以避免由于貪婪算法導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)死亡問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]提出改變能量洞的形狀來(lái)提高覆蓋率。文獻(xiàn)[10]根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)將網(wǎng)絡(luò)平均劃分成與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等的服務(wù)區(qū)。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)很少的情況下，可能導(dǎo)致劃分的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)較少?gòu)亩斐删W(wǎng)絡(luò)失效。文獻(xiàn)[11]提出在WMN中使用基于免疫算法的QoS路由算法，利用免疫算法的尋優(yōu)能力，實(shí)現(xiàn)了WMN的多約束條件下的最優(yōu)路徑選擇。文獻(xiàn)[12]采用LEACH-M實(shí)現(xiàn)WSN中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)與其成員幾點(diǎn)間的聯(lián)通性，動(dòng)態(tài)的劃分傳輸數(shù)據(jù)周期，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量的目的。

在這些研究中存在兩方面缺陷：其一是假設(shè)存在冗余移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的條件下提出的；其二是路由協(xié)議沒(méi)有考慮WSN能量均衡的問(wèn)題?；谝酝难芯砍晒疚奶岢鲆环N能量均衡的監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)策略，以求能更為準(zhǔn)確地修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的能量均衡問(wèn)題。在LEACH-M分簇路由算法的基礎(chǔ)上，研究按節(jié)點(diǎn)能量分配工作量的能量均衡分簇路由算法，并進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

1LEACH-M基本思想

LEACH-M(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- Mobile )是在LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)形成的路由協(xié)議。LEACH-M的基本思想是確認(rèn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否能與特定的簇頭節(jié)點(diǎn)通信。在數(shù)據(jù)通信階段采用應(yīng)答機(jī)制，在簇成員節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間槽內(nèi)，不是簡(jiǎn)單地直接發(fā)送數(shù)據(jù)到簇頭，而是等待一個(gè)來(lái)自簇頭的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求Request_data。只有收到Request_data，成員節(jié)點(diǎn)才發(fā)送數(shù)據(jù)給所屬簇頭。

2監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)策略

此對(duì)于一個(gè)部署了WSN的監(jiān)測(cè)區(qū)域中，假設(shè)存在許多監(jiān)測(cè)盲區(qū)和若干移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，為精準(zhǔn)高效修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，可通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按以下策略，對(duì)已有的監(jiān)測(cè)盲區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)。

將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形單元格，如圖1所示。其中，藍(lán)色的單元格表示有監(jiān)測(cè)盲區(qū)存在，白色單元格表示單元格內(nèi)存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

圖1　監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分

為避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)到同一個(gè)盲區(qū)，即出現(xiàn)所謂的“乒乓效應(yīng)”，可在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造一條移動(dòng)節(jié)點(diǎn)修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)的路徑，保證監(jiān)測(cè)區(qū)域的所有盲區(qū)都會(huì)被所構(gòu)建的路徑覆蓋，構(gòu)造路徑如圖1所示，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按照箭頭方向移向盲區(qū)，因?yàn)槊總€(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離較小，比直接一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到相隔大于一個(gè)劃分區(qū)域的盲區(qū)所消耗的能量要小，故采用按箭頭方向的構(gòu)造路徑方法修復(fù)盲區(qū)并實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載的目的。對(duì)于圖1所示的監(jiān)測(cè)區(qū)域，修復(fù)路徑可設(shè)為：

C1→C2→C3→C4→…→C11→C12→C1→…

按設(shè)定的修復(fù)路徑，如圖1所示，C2區(qū)域存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，C1中的節(jié)點(diǎn)沿著路徑移動(dòng)到C2，而相鄰的C3、C11、C12都不會(huì)去修復(fù)這個(gè)盲區(qū)，從而避免了“乒乓效應(yīng)”，一定程度上保證了節(jié)點(diǎn)的能量均衡和盲區(qū)修復(fù)效果。

對(duì)于圖1所示的監(jiān)測(cè)區(qū)域，按上述的盲區(qū)修復(fù)策略，經(jīng)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)輪次移動(dòng)修復(fù)，在Matlab仿真軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)全覆蓋，存在盲區(qū)如圖2所示，修復(fù)盲區(qū)如圖3所示。

圖2監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)前

圖3　監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)后

3改進(jìn)型分簇路由算法LEACH-M-G

3.1簇頭的選舉

簇頭的選舉將考慮節(jié)點(diǎn)活性、節(jié)點(diǎn)間平均距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)偏差三個(gè)因素。

(1)節(jié)點(diǎn)活性(Node Activity, NA)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的剩余能量、移動(dòng)速度和方向確定自己在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的活性。

(3)節(jié)點(diǎn)數(shù)偏差(Deviation of Node Number),δND，定義移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周?chē)惶?jié)點(diǎn)范圍數(shù)與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)之差。δND=|N-N0|，其中N為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，N0為最優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的活性、節(jié)點(diǎn)間距離以及節(jié)點(diǎn)數(shù)偏差三方面的加權(quán)和來(lái)決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否成為簇頭，節(jié)點(diǎn)的加權(quán)和F值計(jì)算如下：

F=a1*NA+a2/d+a3/δND

(1)

式中：a1，a2，a3為權(quán)重因子,a1+a2+a3=1。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，權(quán)重因子不同。簇頭選擇結(jié)束，當(dāng)所有移動(dòng)簇頭都將數(shù)據(jù)向基站發(fā)送完以后，為了達(dá)到能力均衡的目的，需要從新進(jìn)行簇頭選擇。每一輪數(shù)據(jù)傳輸周期T，若簇頭的移動(dòng)速度較快，那么數(shù)據(jù)發(fā)送丟失率就會(huì)相應(yīng)的增加，此時(shí)就應(yīng)該盡快的實(shí)行簇頭更新，以免出現(xiàn)不但浪費(fèi)了能量，而且數(shù)據(jù)發(fā)送率也低的情況，反之亦然，因此本文采用的傳輸周期T的計(jì)算方法如下(2)。

(2)

3.2簇間路由

分簇完成后，成員節(jié)點(diǎn)將消息數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到消息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后進(jìn)行簇間路由。

簇間路由時(shí)，基站節(jié)點(diǎn)向成員節(jié)點(diǎn)廣播hello消息包，消息包hello中包括基站節(jié)點(diǎn)的位置、簇頭節(jié)點(diǎn)的ID值、簇間的平均剩余能量E，其格式如圖4所示。接收到hello消息包的簇頭節(jié)點(diǎn)計(jì)算簇內(nèi)的平均剩余能量E，并將E值和自身位置信息存入hello消息包，再返回給基站節(jié)點(diǎn)。

基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)比較各個(gè)簇內(nèi)的平均剩余能量，選擇平均剩余能量最大的簇，再次廣播message消息包，消息包message中包含所選簇頭的ID值和生命周期T，其格式如圖4所示。

圖4數(shù)據(jù)包格式

接收到message消息包的簇頭節(jié)點(diǎn)，把message包中的簇頭節(jié)點(diǎn)的ID值和自己的ID值相比，若相同則開(kāi)始向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。否則，丟棄該message包，基站節(jié)點(diǎn)在間隔一段時(shí)間后，將再次發(fā)起路由選擇。

4仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)策略的可行性和LEACH-M-G路由算法的有效性，運(yùn)用MATLAB仿真工具，對(duì)引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的WSN網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了仿真分析。

仿真環(huán)境的設(shè)定：100 個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分布在400 m×400 m的區(qū)域內(nèi)，20 個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按照既定的移動(dòng)路徑在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的速度上界為v。每次移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從[0，v]隨機(jī)選擇一個(gè)步長(zhǎng)，從[0°，2π]隨機(jī)選擇一個(gè)角度。移動(dòng)一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間[0，60]s，間隔[0， 300]s。基站的坐標(biāo)為(400 m，400 m) 。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(3)計(jì)算自己的移動(dòng)簇頭的F值。為在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下形成相對(duì)穩(wěn)定的簇結(jié)構(gòu)，可將節(jié)點(diǎn)活動(dòng)性因素NA作為最重要影響因子，取a1=0.5,a2=0.3，a3=0.2。

表1　參數(shù)設(shè)置

仿真將從節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，來(lái)研究所提出的方法對(duì)能耗大小和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞倪m應(yīng)性。如圖5所示，LEACH-M算法在經(jīng)過(guò)了1450輪的時(shí)候節(jié)點(diǎn)就全部死亡，LEACH-M-G算法明顯優(yōu)于LEACH-M算法。這是由于LEACH-M對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的處理復(fù)雜，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從被發(fā)現(xiàn)到與簇頭正常通信需要至少3個(gè)TDMA幀，即使節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不在原來(lái)的感知范圍內(nèi)，簇頭任然繼續(xù)發(fā)送詢(xún)問(wèn)數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)，縮短網(wǎng)絡(luò)生命周期。而在LEACH-M-G算法中，當(dāng)簇頭發(fā)送hello包給節(jié)點(diǎn)后，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)沒(méi)有收到節(jié)點(diǎn)的回復(fù)消息，則標(biāo)記節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并停止對(duì)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送，從而節(jié)省了能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

圖5　LEACH-M和LEACH-M-G的生命周期對(duì)比

負(fù)載均衡因子是指網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)工作強(qiáng)度的大小。如圖6所示，負(fù)載均衡因子隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度增大而減小。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化范圍的增大，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)之間的速度差異也增大，網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的能量等級(jí)的差異也逐漸增大，因此簇間的負(fù)載均衡程度下降。但從總體趨勢(shì)上看，LEACH-M-G算法的負(fù)載均衡程度還是優(yōu)于比LEACH-M。

圖6　負(fù)載均衡因子隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化

如圖7所示，網(wǎng)絡(luò)的生命周期隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度過(guò)低時(shí)，大量的數(shù)據(jù)包無(wú)法及時(shí)傳輸而致使能耗增加。當(dāng)移動(dòng)速度過(guò)大時(shí)，靜態(tài)的節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)間較短，致使報(bào)文分片無(wú)法完整傳輸，造成通信機(jī)會(huì)不必要的浪費(fèi)，縮短了網(wǎng)絡(luò)生命周期。但從總體運(yùn)行結(jié)果上看，LEACH-M-G的通信效益優(yōu)于LEACH-M。

圖7生命周期隨移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度的變化

5結(jié)語(yǔ)

在WSN的實(shí)際應(yīng)用中，存在由于節(jié)點(diǎn)部署不均或節(jié)點(diǎn)死亡而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。對(duì)此，可在WSN中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)移動(dòng)來(lái)修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。基于以往的研究成果，我們提出一種按優(yōu)化移動(dòng)路徑的監(jiān)測(cè)盲區(qū)的修復(fù)策略，可較為及時(shí)、準(zhǔn)確地修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的能量均衡問(wèn)題。在LEACH-M分簇路由算法的基礎(chǔ)上，給出了一種按節(jié)點(diǎn)能量分配工作量的能量均衡分簇路由算法LEACH-M-G，并運(yùn)用MATLAB仿真工具進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，所提出的監(jiān)測(cè)盲區(qū)修復(fù)策略、以及LEACH-M-G路由能有效地修復(fù)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，均衡網(wǎng)絡(luò)能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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張潤(rùn)蘭(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；

劉真祥(1955—)，男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

Routing Protocol Design and Simulation of Wireless

Sensor Network with Introduced Mobile Node

ZHANG Run-lan1， LIU Zhen-xiang2

(1.College ofComputer Science and Technology, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025, China;

2.Guizhou Radio & TV University, Guiyang Guizhou 550004, China)

Abstract：Blind spot caused by uneven node deployment or node death, could be restored by introducing mobile node into WSN. A repair strategy is proposed to restore the monitoring blind spots timely and accurately, and this strategy also gives consideration of node energy balance. Based on the LEACH-M clustering routing algorithm, an energy balance clustering routing algorithm LEACH-M-G is proposed which could distribute workload in accordance with node energy.Simulation with MATLAB indicates that the proposed repair strategy for monitoring blind spot and LEACH-M-G route could effectively repair monitoring blind spots, balance the network energy and prolong the network lifecycle.

Key words：WSN with mobile sensor node; monitoring the blind spot; routing protocol simulation

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0825-05

基金項(xiàng)目：貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2011]2204號(hào))；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(No.2015017)

收稿日期：修回日期：2015-05-27Received date:2015-02-05；Revised date：2015-05-27

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.015