一種新的高能效無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議*

林梅金 蘇彩紅 李如雄

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局）

0 引言

近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)、低功耗電子器件和射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，低成本、低能耗、多功能的微型無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的大量生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或固定地布置在監(jiān)測(cè)環(huán)境中，通過(guò)特定的協(xié)議自組織構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境信息以完成特定任務(wù)。而節(jié)點(diǎn)通常安裝在環(huán)境惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程場(chǎng)合中，能源難以更換，這使得如何高效利用節(jié)點(diǎn)有限的能量以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命，成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中需要考慮的首要因素[2]。為了延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命和提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，較好的途徑是尋找一種更好的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)消耗能量的算法，而分簇正是為了解決這些問(wèn)題引入對(duì)網(wǎng)絡(luò)分層方法的重要技術(shù)[3]。

Heinzelman W. R.等[4]首次提出低能耗自適應(yīng)分簇算法（low-energy adaptive clustering hierarchy，LEACH）協(xié)議應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，該協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建單層簇，其基本思想是首先按照自組織方式隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)選擇離自己最近的簇首節(jié)點(diǎn)加入，簇首節(jié)點(diǎn)采用分時(shí)復(fù)用的方式為本簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間隙。簇首融合簇內(nèi)成員以及簇首自己收集的數(shù)據(jù)后發(fā)送至基站。LEACH算法以隨機(jī)方式選擇簇首節(jié)點(diǎn)常常導(dǎo)致簇與簇之間分布不均勻，并且所有簇首節(jié)點(diǎn)均直接與基站通信，導(dǎo)致離基站較遠(yuǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)因能量消耗很快先行死亡。針對(duì)LEACH協(xié)議的不足，文獻(xiàn)[5]中提出一種基于鏈的數(shù)據(jù)收集協(xié)議（power-efficient gathering in sensor information systems，PEGASIS）。在PEGASIS協(xié)議中，簇首節(jié)點(diǎn)只需和離它最近的鄰居簇首節(jié)點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)通過(guò)多跳傳輸至基站，從而降低了簇首節(jié)點(diǎn)的能耗，與LEACH協(xié)議相比，獲得了更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的通信鏈路時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸至基站的能耗增大，不利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)[1]指出協(xié)議PEGASIS和低能耗的數(shù)據(jù)收集及融合方法（power efficient data gathering and aggregation，PEDAP）[6]在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，由于需要獲取所有節(jié)點(diǎn)位置和更新路由信息而產(chǎn)生大量能量開(kāi)銷(xiāo)等缺點(diǎn)，提出一種基于分簇和近優(yōu)最小匯集樹(shù)的多級(jí)路由數(shù)據(jù)收集協(xié)議（energy-efficient data gathering protocol，DEEC-MR），提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可靠性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。

借鑒前人研究[1-8,11]的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種新的高效節(jié)能數(shù)據(jù)收集協(xié)議—NDGP。該協(xié)議具有以下性質(zhì)：1) 是一種分布式算法；2) 能實(shí)現(xiàn)簇首節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布；3) 算法運(yùn)行能耗低；4) 不要求節(jié)點(diǎn)具有特殊的通信能力，即不需要所有節(jié)點(diǎn)都能與sink節(jié)點(diǎn)直接通信。

1 系統(tǒng)模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建并且運(yùn)行一段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，稱(chēng)為一“輪”。NDGP協(xié)議按輪運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)周期性地充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)（cluster head, CH）或者普通節(jié)點(diǎn)（ordinary node, ON）進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。文中假定將N個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在一個(gè)M×M的正方形區(qū)域中，并進(jìn)行了以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1) 所有傳感節(jié)點(diǎn)部署后位置固定，且被賦予唯一的標(biāo)號(hào)，傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，而基站有專(zhuān)門(mén)的供電系統(tǒng)；

2) 基站部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域幾何中心上，位置固定且是唯一的；

3) 節(jié)點(diǎn)配備的無(wú)線發(fā)射功率模塊的發(fā)射功率大小可調(diào)，即可根據(jù)距離來(lái)調(diào)整發(fā)射功率的大??；

signal strength indication, RSSI）。

本文采用文獻(xiàn)[9]提出的無(wú)線通信模型，節(jié)點(diǎn)收、發(fā)數(shù)據(jù)的能耗通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算。

其中，ETX(i, j)、ERX(i, j)表示節(jié)點(diǎn)i發(fā)送至節(jié)點(diǎn)j、接收到節(jié)點(diǎn)j信息的能耗；k表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)位數(shù)；Eelec表示無(wú)線收發(fā)電路消耗的能量；Eamp表示天線增益消耗的能量；di,j表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的歐氏距離。該模型給出了一個(gè)閾值d0（d0是常數(shù)，數(shù)值取決于使用環(huán)境）。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)距離小于d0時(shí)，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能量損耗與距離的平方成正比（ε=2），此時(shí)能耗模型對(duì)應(yīng)的是自由空間模型；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)距離大于d0時(shí)，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能量損耗與距離的四次方成正比（ε=4），此時(shí)能耗模型對(duì)應(yīng)的是多路衰減模型。

2 NDGP

NDGP協(xié)議按輪運(yùn)行，每輪由簇生成、簇間多跳路由建立和數(shù)據(jù)收集三個(gè)階段構(gòu)成。

在簇生成階段網(wǎng)絡(luò)完成簇首節(jié)點(diǎn)集、本輪簇內(nèi)活躍普通節(jié)點(diǎn)集和休眠節(jié)點(diǎn)集的確定，簇生成之后簇首為簇內(nèi)活躍成員創(chuàng)建TDMA調(diào)度[9]，并把調(diào)度方案廣播給簇內(nèi)活躍成員，完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)的收集。

簇間多跳路由建立階段生成以基站為根，簇首為節(jié)點(diǎn)的鏈狀多跳路由，使得數(shù)據(jù)在各簇首節(jié)點(diǎn)之間以多跳方式傳輸至基站。

數(shù)據(jù)收集階段，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至自己的狀態(tài)（簇首、活躍節(jié)點(diǎn)、休眠節(jié)點(diǎn)），各個(gè)簇首按照分配好的TDMA調(diào)度收集簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)并在既定的時(shí)隙將融合數(shù)據(jù)發(fā)送至它的父簇首節(jié)點(diǎn)，此階段持續(xù)至本輪結(jié)束。為了保證網(wǎng)絡(luò)的有效工作時(shí)間，算法需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在數(shù)據(jù)收集階段時(shí)間大大超過(guò)其它兩個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間。

2.1 簇生成階段

2.1.1 最優(yōu)簇半徑計(jì)算

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是衡量一個(gè)分簇算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一[10]。簇半徑 RC決定著網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)量，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能耗。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的最優(yōu)簇半徑計(jì)算思想，當(dāng)基站位于監(jiān)控區(qū)域幾何中心時(shí)，簇首與基站間距離的數(shù)學(xué)期望值為因此對(duì)文獻(xiàn)[1]的式(16)進(jìn)行修改后，可獲得網(wǎng)絡(luò)采集一次數(shù)據(jù)并傳輸至基站的總能耗

本文研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)80至250變化范圍，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率大于 90%，此時(shí)計(jì)算獲得使 Etotal為最小的RC分布在62至68之間。為了保證網(wǎng)絡(luò)較大的覆蓋率，且盡可能減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗，本文折中取值RC=65。

2.1.2 簇內(nèi)活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)密集部署常常帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的冗余以及無(wú)線信道干擾等問(wèn)題。本協(xié)議在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率要求的前提下，采用簇內(nèi)調(diào)度減少工作節(jié)點(diǎn)數(shù)目的方法，合理利用節(jié)點(diǎn)能量，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種資源得到優(yōu)化分配。

假設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域Area（其面積為A= π RC2）中，布置1個(gè)感知半徑為RS的傳感節(jié)點(diǎn)N，可知N的覆蓋面積為SN= π RS2，則節(jié)點(diǎn)N能監(jiān)測(cè)整個(gè)區(qū)域Area的概率為PN=(RS/RC)2，Area中任意一點(diǎn)不被節(jié)點(diǎn) N監(jiān)測(cè)到的概率為=1－(RS/RC)2。

在Area中隨機(jī)且均勻布置k個(gè)感知半徑為RS的傳感節(jié)點(diǎn)，則 Area中任意一點(diǎn)不被任何節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的概率為：=（1－(RS/RC)2）k。

以簇首節(jié)點(diǎn)為圓心，簇半徑 RC為半徑的圓形區(qū)域中，如果節(jié)點(diǎn)的感知半徑為RS，則簇內(nèi)保證以η為概率監(jiān)測(cè)整個(gè)簇所需的最少活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為：

2.1.3 簇生成階段描述

NDGP采用基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的分布式簇生成算法，簇生成階段由基站發(fā)起，喚起監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入簇生成階段，并由上一輪數(shù)據(jù)收集階段獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大剩余能量值（emax）信息告知各節(jié)點(diǎn)。該消息格式

網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收基站發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度rssi，計(jì)算并保存自己與基站的距離rssi (i, bs)。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的剩余能量ecur(i)以及rssi (i, bs)計(jì)算發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)簇首的延遲時(shí)間tdelay(i)

為了保證最大剩余能量有更大的機(jī)率競(jìng)爭(zhēng)上簇首位置，σ取值[0.9,1]，為了避免兩個(gè)距離小于 RC的等能量節(jié)點(diǎn)在簇首競(jìng)爭(zhēng)時(shí)發(fā)生沖突，在tdelay(i)表達(dá)式中引入rand (i)微擾動(dòng)信號(hào)。為了避免距離基站過(guò)近的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，在 tdelay(i)中引入因子

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i在0至tdelay(i)時(shí)間段內(nèi)不斷接收其它節(jié)點(diǎn)申明自己為簇首節(jié)點(diǎn)的簇首廣播消息（CH_msg），消息格式

若延遲 tdelay(i)時(shí)間到達(dá)，判斷沒(méi)有接收到任何CH_msg，則立即向半徑為RC的范圍內(nèi)發(fā)送CH_msg，申明自己為簇首。若延遲時(shí)間tdelay(i)到達(dá)，節(jié)點(diǎn)i接收到幾幀CH_msg，則選擇離基站最近的CH_msg作為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送Join_CH_msg，消息格式

由tdelay(i)的計(jì)算式可知，不等式tdelay(i)＜t0成立，因此在基站發(fā)出同步信號(hào)后的t0時(shí)刻，監(jiān)測(cè)區(qū)域Area內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)要么成為簇首節(jié)點(diǎn)，要么成為普通節(jié)點(diǎn)。此時(shí)各簇首根據(jù)式(4)計(jì)算kmin，并根據(jù)簇內(nèi)成員的 ecur，選擇本輪數(shù)據(jù)采集階段的活躍節(jié)點(diǎn)，并為它們分配通信時(shí)隙。

綜上所述，可得算法如下：

簇生成階段后，各簇首通知各成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在簇間多跳路由建立期間，普通成員不需要參加，只需要簇首成員和基站參與即可。

2.2 簇間多跳路由建立階段

基站自簇生成階段發(fā)送的同步信號(hào)后t0+1時(shí)刻，開(kāi)始向半徑為RC的范圍內(nèi)廣播建立多跳路由廣播消息 FS_msg（FatherSon_message，尋找父子關(guān)系消息）。該消息格式

2.3 數(shù)據(jù)收集階段

簇間多跳路由建立自基站發(fā)送FS_msg同步信號(hào)后在 pt1時(shí)間內(nèi)完成，此時(shí)基站將數(shù)據(jù)收集階段開(kāi)始的同步信號(hào)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。普通活躍節(jié)點(diǎn)蘇醒并根據(jù)簇內(nèi)TDMA調(diào)度時(shí)隙將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)至簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)將收到的簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理后連同本簇首節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其父簇首節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的普通休眠節(jié)點(diǎn)繼續(xù)休眠保存能量，直到本階段結(jié)束。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

利用Matlab編寫(xiě)模擬程序，將NGDP協(xié)議與文獻(xiàn)[1]中的DEEC-MR協(xié)議和文獻(xiàn)[4]中的LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真并比較。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的配置參數(shù)如表1所示。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中，考慮兩種網(wǎng)絡(luò)壽命的定義：第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量小于0.002J時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)死亡。實(shí)驗(yàn)中模擬了節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化對(duì)協(xié)議性能的影響。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

圖1是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為600時(shí)，NDGP協(xié)議生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以看出本協(xié)議生成的簇分布均勻，簇首可以經(jīng)過(guò)多跳鏈接至基站。

3.2 能耗比較

本文對(duì)比了不同算法采集一次數(shù)據(jù)并傳輸至基站的能耗隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。圖2是幾種算法在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)下的能耗對(duì)比圖，該曲線情況反映了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的效率。由圖2可看出，LEACH協(xié)議的能耗最高，其原因是該協(xié)議將數(shù)據(jù)從簇首傳送至基站采用單跳方式。NDGP協(xié)議相比DEEC-MR協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越大，NDGP的效率比協(xié)議DEEC-MR運(yùn)行效率更好，原因是NDGP協(xié)議中保存冗余節(jié)點(diǎn)能量的機(jī)制比DEEC-MR要好。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 能耗對(duì)比圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)壽命比較

仿真研究當(dāng)監(jiān)控區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命的變化情況見(jiàn)圖3和圖4。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能常常以首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間為主要依據(jù)，首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)得越晚，死亡時(shí)間越集中，則協(xié)議的性能越好。LEACH協(xié)議根據(jù)概率選擇簇首的算法使得簇覆蓋面隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而減小，這種辦法無(wú)法有效利用簇首的數(shù)據(jù)融合優(yōu)勢(shì)，因此LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命并沒(méi)有隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而明顯提高。NDGP協(xié)議中節(jié)點(diǎn)開(kāi)始死亡的時(shí)間晚于DEEC-MR協(xié)議，死亡時(shí)間的集中程度NDGP協(xié)議在節(jié)點(diǎn)密度高的場(chǎng)合略?xún)?yōu)于 DEEC-MR協(xié)議，但兩者均大大優(yōu)于LEACH協(xié)議。NDGP協(xié)議運(yùn)行總輪數(shù)比DEEC-MR、LEACH協(xié)議多，其主要原因是：1）NDGP協(xié)議在簇首多跳建立階段有防止孤立簇的機(jī)制，這有利于避免因多跳路由引起的能量空洞而造成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中止的現(xiàn)象；2) 在保證用戶(hù)覆蓋率的前提下，NDGP協(xié)議有令網(wǎng)絡(luò)內(nèi)冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)的機(jī)制，從而有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，并且該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大的場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)壽命（第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡）

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)壽命（最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡）

4 結(jié)論

本文針對(duì)大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)的需要，提出一種新的高能效數(shù)據(jù)收集協(xié)議—NDGP。該協(xié)議在簇的生成階段可保證高剩余能量的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，采用微擾動(dòng)的辦法解決了競(jìng)爭(zhēng)簇首時(shí)通信堵塞的問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)均勻分簇。NDGP協(xié)議通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)執(zhí)行

數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)收集階段冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)等機(jī)制，從而有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能耗。仿真結(jié)果表明：與LEACH協(xié)議和DEEC-MR協(xié)議相比較，NDGP具有更好的運(yùn)行效率和更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命，更適合于高密度、大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。然而，在節(jié)點(diǎn)均勻分布的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后期，由于靠近基站的簇首節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了更重的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，導(dǎo)致這些簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)先行死亡。因此，NDGP也不可避免地存在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能量空洞的問(wèn)題。

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