施 義，劉振興，蔡 彬，謝祥中

(1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.倫敦大學(xué)學(xué)院 UCL動(dòng)力工程系，倫敦 英國 WC1E 7JE)

0 引 言

作為智能電網(wǎng)領(lǐng)域的重要組成部分，微電網(wǎng)中存在各類分布式電源，網(wǎng)絡(luò)中使用大量的監(jiān)測(cè)設(shè)備來滿足其雙向、實(shí)時(shí)、高效的通信要求[1,2]。針對(duì)微電網(wǎng)就地控制層中采集節(jié)點(diǎn)多、節(jié)點(diǎn)位置分散等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況[3,4]，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)技術(shù)來構(gòu)建該層的數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

考慮微電網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)選擇具有能量效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的分簇結(jié)構(gòu)[5]。傳統(tǒng)的分簇算法如LEACH算法采用均勻分簇，由于簇間路由是單跳的方式，存在遠(yuǎn)離匯聚點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)因通信代價(jià)高而過早死亡的問題[6]。EEUC算法引入非均勻分簇概念，在簇頭選擇階段，其通信代價(jià)大，簇頭選擇和成簇等階段缺乏節(jié)點(diǎn)剩余能量的考慮，導(dǎo)致靠近匯聚點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)沒有足夠多的能量完成大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)而提前死亡[7,8]，影響了網(wǎng)絡(luò)整體的生命周期。

針對(duì)LEACH算法和EEUC算法的不足，結(jié)合微電網(wǎng)中分布式電源的分布情況，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇算法(node real-time energy based uneven clustering algorithm for WSN in micro-grid，NREUC)。NREUC算法在簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑中引入節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)能量作為部分權(quán)重，在成簇階段，普通節(jié)點(diǎn)依據(jù)成簇判斷因子來選擇要加入的簇，達(dá)到非均勻分簇的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與LEACH算法和EEUC算法相比，NREUC算法顯著延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間，死亡節(jié)點(diǎn)的分布是均勻分布，避免了監(jiān)控盲區(qū)的出現(xiàn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控質(zhì)量。

1 微電網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

微電網(wǎng)的運(yùn)行控制中，分布式電源的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中通信系統(tǒng)可以分為控制中心層、集中控制層和就地控制層[9]。終端電源單元將自身的狀態(tài)信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)匯聚層的監(jiān)控單元，再由數(shù)據(jù)匯聚層統(tǒng)一通過光纖傳遞的方式傳遞給控制中心層進(jìn)行調(diào)控[10]。本文中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)里所有的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和區(qū)域匯聚點(diǎn)位置是固定的，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，都可以成為簇頭、候選簇頭或普通節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中鏈路是對(duì)稱的，已知對(duì)方發(fā)射功率時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算距離[11]。

圖1 微電網(wǎng)中分布式電源模塊監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)圖1可得圖2監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的仿真場(chǎng)景，其中小圓圈是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，五角星是匯聚點(diǎn)。微電網(wǎng)中分布式電源模塊監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中簇規(guī)模的整體趨勢(shì)是靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的簇規(guī)模小數(shù)量多，遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的簇規(guī)模大數(shù)量小，這樣讓靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的簇頭有更多的能量轉(zhuǎn)發(fā)消息，不至于過早死亡形成“熱區(qū)”。

圖2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2 分簇算法

2.1 簇頭選舉

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行分簇時(shí)，首先是簇頭選舉的過程。在簇頭選舉中，NREUC算法利用簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑來實(shí)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)的非均勻分布，在競(jìng)爭(zhēng)半徑Ri計(jì)算公式中引入距離和能量?jī)蓚€(gè)因素

(1)

式中：dmax、dmin——網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大與最小距離，d(si,s0)是節(jié)點(diǎn)i與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，R0是簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值，Ep是網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)的平均能量與節(jié)點(diǎn)i的實(shí)時(shí)能量的比值，c是用于控制取值范圍的參數(shù)。

考慮到節(jié)點(diǎn)的通信能耗，在NREUC算法的簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算中，節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間距離仍是主要因素，距離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，競(jìng)爭(zhēng)半徑越大。節(jié)點(diǎn)自身實(shí)時(shí)能量是次要因素，對(duì)簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑起到微調(diào)的作用，能量大的節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑偏大，但不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中簇規(guī)模分布的整體結(jié)構(gòu)。

2.2 成簇階段

簇頭節(jié)點(diǎn)確定后，進(jìn)入成簇階段。在本文NREUC算法中，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)成簇判斷因子決定要加入的簇

(2)

式中：C(i,j,k)是第k輪，節(jié)點(diǎn)j到簇頭i的成簇判斷因子，Re(i,k)為簇頭i的實(shí)時(shí)能量，Ek是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均能量，d(si,sj)為節(jié)點(diǎn)j到簇頭i的距離。這樣在考慮就近成簇減少通信代價(jià)的同時(shí)，讓剩余能量大的簇頭能夠接收更多的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到能量均衡的目的。

2.3 NREUC算法

圖3 NREUC算法

初始化網(wǎng)絡(luò)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)向所有節(jié)點(diǎn)廣播消息，以便讓所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算出與匯聚節(jié)點(diǎn)間的距離，用于后面的非均勻分簇以及節(jié)點(diǎn)向基站傳輸信息時(shí)發(fā)送功率的選擇。NREUC算法采用循環(huán)機(jī)制，每輪中包括簇頭的選舉及簇的形成、簇間路由建立和數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有4種狀態(tài)：普通節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，候選簇頭狀態(tài)，簇頭狀態(tài)和死亡狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)有簇頭標(biāo)志位G，標(biāo)志位G初始態(tài)置0，在節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭后，標(biāo)志位G會(huì)置1。節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)每輪會(huì)動(dòng)態(tài)變化，簇頭在候選簇頭中產(chǎn)生，其中候選簇頭節(jié)點(diǎn)的簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑為Ri，由式(1)得到。大小不同的競(jìng)爭(zhēng)半徑形成規(guī)模不等的簇。

NREUC算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(如圖3所示)：

步驟1 標(biāo)志位G的初始化

對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的簇頭標(biāo)志位G置0。

步驟2 候選簇頭選舉

先判斷簇頭標(biāo)志位G，允許標(biāo)志位為0的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行候選簇頭的選舉，否則節(jié)點(diǎn)休眠直至簇頭競(jìng)選結(jié)束。再按概率選出部分節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭，其它落選節(jié)點(diǎn)休眠直至簇頭競(jìng)選結(jié)束。

步驟3 簇頭選舉

依據(jù)式(1)求出的簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑來實(shí)現(xiàn)簇頭的選舉。每輪簇頭競(jìng)選中，候選簇頭節(jié)點(diǎn)i有一張?jiān)摴?jié)點(diǎn)的鄰候選簇頭信息表，表內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)j都滿足節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i間的距離小于這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值的條件。實(shí)時(shí)能量最大的候選簇頭最先被選出擔(dān)任簇頭，同時(shí)它的鄰候選簇頭信息表中的候選簇頭都退選成為普通節(jié)點(diǎn)。然后再在剩余的候選簇頭中，選出實(shí)時(shí)能量最大的節(jié)點(diǎn)成為簇頭，它的鄰候選簇頭信息表中的候選簇頭也都退選成為普通節(jié)點(diǎn)，依次循環(huán)至沒有候選簇頭。在節(jié)點(diǎn)出任簇頭后，該節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位G置1。

步驟4 成簇階段

網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)依據(jù)成簇判斷因子的式(2)來選擇簇頭，形成規(guī)模大小不等的簇。

步驟5 信息傳輸階段

本網(wǎng)絡(luò)中采用簇內(nèi)單跳，簇首間多跳的方式進(jìn)行信息的傳輸。

步驟6 簇頭標(biāo)志G的再判斷

信息傳輸完成后，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)在本輪結(jié)束時(shí)的剩余能量，將剩余能量大于或等于平均剩余能量的簇頭節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位G置0，讓其可以繼續(xù)參與到后面的簇頭競(jìng)選中。

步驟7 死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)判斷

若網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)超過預(yù)設(shè)最大值，則網(wǎng)絡(luò)宣告死亡，否則進(jìn)入新一輪的網(wǎng)絡(luò)分簇、信息傳遞中。

3 算法仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文在MATLAB中分別編碼LEACH算法、EEUC算法和NREUC算法，并進(jìn)行仿真性能分析。實(shí)驗(yàn)中，在邊長(zhǎng)200 m的方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布400個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中消耗的能量主要由發(fā)射電路能耗和功率放大電路的能耗組成。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射比特?cái)?shù)為k比特的數(shù)據(jù)到相聚d距離的位置時(shí)，通信能耗計(jì)算為

(3)

式中：Eelec——發(fā)射電路消耗的能量，εfs、εmp——兩類信道模型中功率放大電路的最大消耗能量。相關(guān)仿真場(chǎng)景參數(shù)見表1。

表1 仿真場(chǎng)景參數(shù)

在式(1)簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑Ri的計(jì)算中，系數(shù)c和最大競(jìng)爭(zhēng)半徑R0的值是需要預(yù)先設(shè)定的。其中，為方便與EEUC算法比較，系數(shù)c的值沿用原EEUC的值0.5。對(duì)于候選簇頭的最大競(jìng)爭(zhēng)半徑R0，它影響最后簇的生成個(gè)數(shù)，最大競(jìng)爭(zhēng)半徑大時(shí)，則生成的簇個(gè)數(shù)少，從而影響最終網(wǎng)絡(luò)中簇分布情況。這里采用實(shí)驗(yàn)方法得出本仿真環(huán)境下最大競(jìng)爭(zhēng)半徑的最適值為90 m。

3.2 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)仿真中，本文主要在網(wǎng)絡(luò)生命周期及網(wǎng)絡(luò)的死亡節(jié)點(diǎn)分布上進(jìn)行比較分析。網(wǎng)絡(luò)生命周期越長(zhǎng)，特別是網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間越長(zhǎng)，則表明網(wǎng)絡(luò)中能量越均衡，節(jié)點(diǎn)不會(huì)過早死亡。網(wǎng)絡(luò)的死亡節(jié)點(diǎn)分布影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控質(zhì)量，死亡節(jié)點(diǎn)分布越均勻，監(jiān)控質(zhì)量越好。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期

針對(duì)采集信息精確度要求較高的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的初始死亡時(shí)間決定著網(wǎng)絡(luò)整體的生命周期。如微電網(wǎng)中，單元級(jí)別的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集需要達(dá)到全覆蓋和高精度的要求，盲區(qū)的出現(xiàn)會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全。

圖4中比較了3種分簇算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期，NREUC算法相比于LEACH算法和EEUC算法，網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間得到了很大的延長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)整體的存活時(shí)間也得到了增加。NREUC算法中，簇間多跳路由的方式解決了LEACH算法中遠(yuǎn)離匯聚點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)因通信消耗大而過早死亡的問題。在候選簇頭的選擇上，NREUC算法加入簇頭標(biāo)志位的判斷，讓上輪中擔(dān)任過簇頭的這類能量消耗大的節(jié)點(diǎn)不參與之后的簇頭競(jìng)選，提高候選簇頭質(zhì)量，避免不必要的能量消耗，緩解了EEUC算法中簇頭選擇能量開銷大的問題。在NREUC算法簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算中，考慮節(jié)點(diǎn)自身能量和其與匯聚節(jié)點(diǎn)間距離兩個(gè)因素，使分簇的規(guī)模較EEUC算法更加合理。根據(jù)圖4中NREUC算法曲線的衰減走勢(shì)可以看出，NREUC算法在同等的能耗條件下提高了網(wǎng)絡(luò)中的能量均衡程度，在網(wǎng)絡(luò)生存周期后段，每輪中的存活節(jié)點(diǎn)占有率都要比LEACH算法和EEUC算法高。

圖4 3種分簇算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期

3.2.2 網(wǎng)路死亡節(jié)點(diǎn)分布

根據(jù)圖5和圖6中網(wǎng)絡(luò)的死亡節(jié)點(diǎn)分布可以看出，圖5中EEUC算法中死亡節(jié)點(diǎn)大多集中在靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，圖6中NREUC算法中死亡節(jié)點(diǎn)分布均勻。

圖5 EEUC算法的死亡節(jié)點(diǎn)分布

圖6 NREUC算法的死亡節(jié)點(diǎn)分布

NREUC算法在每輪的簇頭選舉階段都會(huì)考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量問題，減少低能量節(jié)點(diǎn)成為簇頭的可能性，在簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算中加入簇頭自身能量的考慮因素，利用大小不等的簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)非均勻分布的目的。同時(shí)在成簇時(shí)，NREUC算法將簇頭能量考慮進(jìn)去，普通節(jié)點(diǎn)在選擇簇頭時(shí)不再是單純的就近選擇，而是根據(jù)節(jié)點(diǎn)與簇頭間距離及簇頭剩余能量?jī)蓚€(gè)因素進(jìn)行判斷，最終使得網(wǎng)絡(luò)中最后的死亡節(jié)點(diǎn)分布是均勻的，解決了EEUC算法中靠近匯聚點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)因轉(zhuǎn)發(fā)過多數(shù)據(jù)而提前死亡的問題，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控質(zhì)量的目的。

4 結(jié)束語

本文提出了一種面向微電網(wǎng)的WSN非均勻分簇算法，算法的核心思想是在簇頭選擇和成簇階段均加入節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)能量因素進(jìn)行考慮，以均衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。針對(duì)微電網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布廣、監(jiān)控精度高的特點(diǎn)，該算法相比于傳統(tǒng)的分簇算法，網(wǎng)絡(luò)中能量均衡的程度更高，節(jié)點(diǎn)初始死亡時(shí)間更晚，網(wǎng)絡(luò)生命期更長(zhǎng)。

雖然本文的NREUC算法對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量均衡起到了較好的效果，但在分簇時(shí)需要一定的消息開銷，可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。下一步的工作考慮減少網(wǎng)絡(luò)中每輪的能量消耗，同時(shí)驗(yàn)證該算法在實(shí)際微電網(wǎng)環(huán)境中應(yīng)用的可行性。

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