朱騰

摘 要：為了解決傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下復(fù)雜的簇頭選取機(jī)制的難以配置和并未涉及服務(wù)質(zhì)量（QoS）的問(wèn)題，本文提出了一種名為SD-QCHS的軟件定義服務(wù)質(zhì)量簇頭選取機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)擁塞度、鏈路擁塞度和節(jié)點(diǎn)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)選取多種類(lèi)型的簇頭對(duì)用不同的QoS。當(dāng)簇成員收集到信息后，會(huì)將不同類(lèi)別的信息發(fā)送到最適合這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇仡^節(jié)點(diǎn)上。最后，本課題將SD-QCHS簇頭選取機(jī)制結(jié)合最短路徑路由算法提出SD-QCHSRA分簇路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SD-QCHSRA算法在丟包率上略好于LEACH算法。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 軟件定義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)質(zhì)量 簇頭選取機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（b）-0030-03

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、非中心、多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]。為了提高能量利用效率，減少傳輸延遲，節(jié)點(diǎn)被分成多個(gè)簇，稱之為分簇算法。目前，大部分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法的研究都集中在保證能量效率和負(fù)載均衡的問(wèn)題上，最具有代表性的就是LEACH算法[2]。LEACH算法的核心原理是通過(guò)等概率在全網(wǎng)隨機(jī)選擇簇頭從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。雖然LEACH算法可以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)以等概率成為簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗相對(duì)均勻，但其并沒(méi)有考慮QoS，這在如今在許多數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用程序場(chǎng)景中很難適用。在文獻(xiàn)[4-5]中，它們只提供了不同的路由算法來(lái)解決QoS問(wèn)題，但是僅僅是在扁平結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的，沒(méi)有涉及分簇問(wèn)題。在文獻(xiàn)[5]中，作者提出了區(qū)分隊(duì)列服務(wù)（QDS）來(lái)解決有線網(wǎng)絡(luò)中的類(lèi)似問(wèn)題。在文獻(xiàn)[6]中，通過(guò)改進(jìn)QDS使其適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是，對(duì)于資源有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，很難在實(shí)際應(yīng)用中得到有效的實(shí)現(xiàn)。

因此，本文提出了一種復(fù)雜的簇頭選取機(jī)制來(lái)選取多種簇頭，以支持不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)在簇內(nèi)路由來(lái)到達(dá)滿足不同數(shù)據(jù)QoS的目的。

不幸的是，在傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)下復(fù)雜的簇頭選取機(jī)制常難以配置和實(shí)現(xiàn)。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)有限的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間和固化的協(xié)議配置。因此，需要引進(jìn)新的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離[9]，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，SDN在可編程性、硬件通用性、管理控制等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[7-9]中，作者將SDN引入到WSN中，命名為SDN-WISE， EWSDN。

因此，本文的主要貢獻(xiàn)是提出了一種新的集中式簇頭選取機(jī)制SD-QCHS，它的設(shè)計(jì)基于開(kāi)源軟件定義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目SDN-WISE。SD-QCHS的核心思想是選擇多種簇頭，以支持WSN中簇成員收集的不同級(jí)別的QoS。

1 SD-QCHS詳解

SD-QCHS的流程如下：第一步，控制器發(fā)送命令進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。接下來(lái)，控制器通過(guò)其掌握的全局網(wǎng)絡(luò)信息選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)收到控制器發(fā)送的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)命令后發(fā)送拓?fù)涑跏蓟瘮?shù)據(jù)包（TI），其中包括節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的距離、節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)擁塞程度和鏈路狀態(tài)。

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)定期（控制器可以設(shè)計(jì)周期）或者控制器下發(fā)指令執(zhí)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)操作，并將TI包發(fā)送到WISE-VISOR?？刂破骰谶@些數(shù)據(jù)構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

然后，本文將具體描述如何通過(guò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過(guò)程中獲得的信息來(lái)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。實(shí)際上，不同的QoS級(jí)別意味著不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，例如：實(shí)時(shí)流量的端到端時(shí)延較低，而丟包率敏感的數(shù)據(jù)類(lèi)型需要報(bào)文投遞率高，報(bào)文丟失概率低。因此，本文的目標(biāo)是提出一個(gè)新的解決方案來(lái)滿足這種情況。所以本文提出了多重簇頭競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間（）的概念，表示節(jié)點(diǎn)i成為第n種類(lèi)型簇頭的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間?？刂破鞲鶕?jù)公式（1）計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的，之后控制器選取值最小的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。之后，控制器通過(guò)下發(fā)流表來(lái)告知節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)成為了簇頭和簇成員節(jié)點(diǎn)。

（1）

公式（1）中，NCi為節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)擁塞度；Di為節(jié)點(diǎn)i到sink節(jié)點(diǎn)的距離；LCi為節(jié)點(diǎn)的鏈路擁塞度；REPi為節(jié)點(diǎn)i的剩余電量；αn和βn為成為第n種類(lèi)型簇頭的權(quán)重參數(shù)。Tin表示自定義最大簇頭競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)擁塞度NCi、節(jié)點(diǎn)鏈路擁塞度LCi和節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)距離分別根據(jù)公式（2）（3）（4）計(jì)算：

NCi=Qi/Li （2）

LCi=1-（Si，n/Mi，n） （3）

Di=DSi/DSmax （4）

公式（2）中，Qi為節(jié)點(diǎn)i的及時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度；Li為節(jié)點(diǎn)i的緩存區(qū)長(zhǎng)度[10]。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有大量數(shù)據(jù)還沒(méi)有從其緩存區(qū)發(fā)送的時(shí)候，其節(jié)點(diǎn)擁塞度就很高，如果繼續(xù)向其發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)增加新發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)延。公式（3）中，Si，n為一定時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)i發(fā)送到其鄰居節(jié)點(diǎn)成功的數(shù)據(jù)包總數(shù)；Mi，n為一定時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)i發(fā)送到其鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的總數(shù)。公式（4）中，DSi為節(jié)點(diǎn)i到sink的距離；DSmax為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i到sink距離的最大值。

實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)需要很低的時(shí)延。因此當(dāng)控制器選取該類(lèi)型的簇頭時(shí)，要求該候選節(jié)點(diǎn)的NCi、Di和REPi盡量大。從而得出結(jié)論，對(duì)于實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)在選取簇頭時(shí)應(yīng)該保持公式（1）中的αn大于βn。對(duì)于對(duì)丟包率敏感的數(shù)據(jù)包αn應(yīng)該小于βn。

如表1所示，本文根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型所需時(shí)延和其對(duì)丟包率的敏感度將其分為5種。其中αn和βn的取值范圍為0～1。當(dāng)控制器根據(jù)公式（1）計(jì)算簇頭競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間時(shí)，在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型的權(quán)重取值范圍內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)值來(lái)計(jì)算。

2 仿真結(jié)果

本文將第三章提出的SD-QCHS簇頭選取機(jī)制與最短路徑路由算法相結(jié)合提出了SD-QCHSRA分簇路由算法。對(duì)SD-QCHSRA算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真環(huán)境如表2所示。

當(dāng)α1=0.892，β1=0.983，α2=0.825，β2=0.125，α3=0.625，β3=0.366，α4=0.427，β4=0.723，α5=0.128，β5=0.932時(shí)，SD-QCHSRA和LEACH算法的丟包率如圖1所示。

SD-QCHSRA和LEACH的丟包率比較如圖1所示。Class1和Class5的丟包率符合表1的要求，并且比其他類(lèi)要低。仿真結(jié)果表明，SD-QCHSRA各類(lèi)平均丟包率小于1%，LEACH平均丟包率約為1.5%。Class1、2、3、4、5的平均丟包率分別為0.385%、1%、0.734%、0.505%、0.386%。證明了本文提出的簇頭選取機(jī)制為數(shù)據(jù)提供了最適合的簇頭節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究一種集中式簇頭選取機(jī)制，以支持?jǐn)?shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的QoS，解決了傳統(tǒng)復(fù)雜的分布式分簇算法難以配置且無(wú)法達(dá)到全局最優(yōu)的問(wèn)題。提出的SD-QCHSRA可以選擇5種類(lèi)型的集群頭節(jié)點(diǎn)來(lái)支持五種級(jí)別的QoS。允許簇成員在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)選擇最適合它們的不同類(lèi)型的簇頭節(jié)點(diǎn)。將SD-QCHS和最短路徑路由算法相結(jié)合，得到了一種新的路由算法SD-QCHSRA。

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