無線傳感網(wǎng)絡(luò)分布控制匯聚協(xié)作節(jié)能算法

對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的區(qū)域進(jìn)行環(huán)形劃分，進(jìn)行非均勻的部署控制，讓較靠近匯聚節(jié)點(diǎn)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度大于較遠(yuǎn)區(qū)域，使單位周期內(nèi)每個(gè)環(huán)形區(qū)域節(jié)點(diǎn)協(xié)作多跳通信以平衡區(qū)域能耗、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑提高節(jié)點(diǎn)能量利用效率。仿真表明該算法對(duì)減小傳輸能耗、均衡網(wǎng)絡(luò)能量有較好效果。

作者簡(jiǎn)介：

邵玉成（1985年—）, 男, 安徽潁上人, 工學(xué)碩士, 主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線通信測(cè)試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。主持或承擔(dān)過多項(xiàng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)（03專項(xiàng)）、電子測(cè)試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目。

凌云志（1976—）, 男,安徽巢湖人, 學(xué)士, 中電科儀器儀表有限公司部門主任, 主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信測(cè)試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試技術(shù)。發(fā)表論文多篇, 主持或承擔(dān)過多項(xiàng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)。

孫昊（1980年—）, 男, 安徽蚌埠人, 學(xué)士學(xué)位, 中電科儀器儀表有限公司高級(jí)工程師, 主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信測(cè)試技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試技術(shù)。發(fā)表技術(shù)論文多篇, 主持或承擔(dān)過多項(xiàng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)。

引言 

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均勻分布，當(dāng)采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)較多的外圍節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，其能量消耗就較大，容易引起該區(qū)域節(jié)點(diǎn)的能量過早耗盡而死亡。在WSN中，特別是針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用實(shí)踐中^[3-5]，如何使網(wǎng)絡(luò)能量比較均衡并最大限度地提高節(jié)點(diǎn)能量的利用效率對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的性能有著很大的影響。本文在現(xiàn)有分簇算法研究基礎(chǔ)上，提出基于節(jié)點(diǎn)非均勻分布的分簇協(xié)作多跳路由算法（CorMulti-hop Agrithm），并對(duì)該算法的性能進(jìn)行了仿真評(píng)估。

1 相關(guān)研究

針對(duì)WSN中“熱區(qū)”以及節(jié)點(diǎn)能量利用效率較低的問題，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究并提出了不同的方法。文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在節(jié)點(diǎn)均勻分布的無線傳感器網(wǎng)路中，由于部分承擔(dān)過重轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的提早死亡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能量的利用率非常低，甚至不足10%。文獻(xiàn)證明了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，“熱區(qū)”問題是難以避免的。文獻(xiàn)提出了采用異構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)來解決“熱區(qū)”問題，在網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)初始能量不相同，承擔(dān)更多轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的匯聚節(jié)點(diǎn)周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)具有更多的初始能量，這樣就可以拿出一部分能量供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)使用，來保證每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有近似相同的生存周期。文獻(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡以及生存周期較短問題，提出了一種混合式控制策略，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行同心圓環(huán)劃分，利用算法分配圓環(huán)內(nèi)一部分節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，其他節(jié)點(diǎn)通過多跳的方式把數(shù)據(jù)傳送到Sink節(jié)點(diǎn)，根據(jù)算法調(diào)節(jié)這兩部分節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比例。相關(guān)優(yōu)化協(xié)議^[11-12]采用控制性節(jié)點(diǎn)布局，普通節(jié)點(diǎn)在選擇簇進(jìn)行加入時(shí)，綜合自身到簇首的距離以及簇首到Sink節(jié)點(diǎn)的距離等因素進(jìn)行選擇。這樣既考慮了節(jié)點(diǎn)自身的能耗，也考慮了作為中繼節(jié)點(diǎn)簇首的能耗，構(gòu)造出的大小非均勻的簇，可緩解簇間能耗不均衡的問題。

本文在相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，提出一種基于LEACH的節(jié)點(diǎn)控制分布及通信協(xié)作多跳的路由協(xié)議算法。該算法的設(shè)計(jì)思想：平衡網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的能耗，采用節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略；在簇首選舉階段，采用與LEACH相同的方式選舉出預(yù)選簇首，之后進(jìn)行簇內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，讓競(jìng)爭(zhēng)代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)成為正式簇首，有利于局部能耗的均衡；采用簇間協(xié)作多跳的傳輸方式把數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，并在建立簇間多跳路由時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能量和通信代價(jià)，以節(jié)省傳輸階段的能耗。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的非均勻分布控制

2.1網(wǎng)絡(luò)模型與假設(shè)

文章假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)閳A形，所有的節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)，且節(jié)點(diǎn)的初始能量（近似）相等，均為Eore，匯聚節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的中心，傳感器節(jié)點(diǎn)采用控制式非均勻部署；簇首對(duì)簇成員的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，對(duì)同級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用bypass方式；節(jié)點(diǎn)Tx power皆可自行調(diào)整。

節(jié)點(diǎn)分布控制策略：

1)半徑為R的圓形區(qū)域劃分為M個(gè)同心的圓環(huán)，如圖1，區(qū)域記為{Ci1,Ci2,…,Ci0}，圓環(huán)的外側(cè)邊到圓心的半徑記為{ρ1,ρ2,…,ρ0}。總數(shù)為N的傳感器節(jié)點(diǎn)平均分布在各圓環(huán)中，用Ni表示第i層圓環(huán)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，則N1=N2=…=NO=N/O，且N1+N2+…+N0=N；

2)每層圓環(huán)中，節(jié)點(diǎn)依概率P當(dāng)選為簇首，每層圓環(huán)內(nèi)的簇首數(shù)目Ni_ch近似相等，即N1_ch=N2_ch=…=NM_ch=P×N/O；

3)數(shù)據(jù)傳輸階段，外層環(huán)中的數(shù)據(jù)通過選擇內(nèi)層環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)作為中繼，逐層轉(zhuǎn)發(fā)，傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn),內(nèi)層環(huán)的節(jié)點(diǎn)密度要大于其相鄰的外層圓環(huán)節(jié)點(diǎn)密度。

圖1 節(jié)點(diǎn)非均勻部署與網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗分析

采用與文獻(xiàn)相同的能量消耗模型，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗ETX包含電路能耗、信號(hào)放大能耗，與傳輸?shù)木嚯x相關(guān)，當(dāng)傳輸距離較近時(shí)，采用自由空間消耗模型，否則采用多徑衰落模型。

節(jié)點(diǎn)接收l比特的數(shù)據(jù)能耗為：

   （1）

節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理的能耗為：

   （2）

其中，E_dpb表示每比特?cái)?shù)據(jù)融合處理的能耗；m為融合處理的數(shù)據(jù)包的數(shù)目。

在圓形網(wǎng)絡(luò)模型中，每層圓環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)相等，但寬度不相同；圓環(huán)內(nèi)的簇?cái)?shù)目相同但簇的半徑不同，離Sink節(jié)點(diǎn)較近的圓環(huán)具有較大的節(jié)點(diǎn)分布密度。假設(shè)圓環(huán)Ci中的節(jié)點(diǎn)分布密度為ρi，則從最里層的圓環(huán)C1到最外層的CO節(jié)點(diǎn)分布密度逐漸下降，即：ρ₁>ρ₂>…>ρ_i>…>ρ_O。

（1）圓環(huán)中的簇半徑R_ch：

假設(shè)圓環(huán)C_i的面積為S_i，節(jié)點(diǎn)的最大通信半徑為r_max，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的連通性要求，以及節(jié)點(diǎn)的物理?xiàng)l件的限制，圓環(huán)C_i的簇半徑R_{i_ch}需要滿足：

   （3）

這是因?yàn)樵诃h(huán)Ci中，要完全覆蓋，就使每個(gè)簇的覆蓋的面積≥S_i/N_{i_ch}，這里假設(shè)：

   。      （2）

第i層圓環(huán)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)的距離平方的期望   ：

（4）

假設(shè)簇的面積為Si_ch，可知簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布的概率密度ρ為：

   （5）

從而：

（6）

（3）第i層圓環(huán)中的簇首節(jié)點(diǎn)到圓心匯聚節(jié)點(diǎn)的距離的期望E(di)：

（7）

其中，r0=0, 1≤i≤M。

（4）第i層圓環(huán)中的簇首節(jié)點(diǎn)到第i-1層圓環(huán)中的簇首節(jié)點(diǎn)距離di的期望E(Δdi)：

（8）

（5）最外層環(huán)采集一幀數(shù)據(jù)的總能耗E_O為：

   （9）

（6）非最外層圓環(huán)C_i的能耗E_i，包括本環(huán)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送能耗E_{i_self}和外層環(huán)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)能耗E_{i_fw}：  

   （10）

其中，d0為空間傳輸距離常數(shù)。當(dāng)Δd_i<d₀時(shí)，n取2，ε取自由空間衰減系數(shù)ε _fs；否則n取3，ε取多徑衰減系數(shù)ε _mp。

由節(jié)點(diǎn)的初始能量E_ori和每層圓環(huán)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目可知，每層圓環(huán)中節(jié)點(diǎn)總初始能量相等均為E_ori×N/M。為了實(shí)現(xiàn)每層圓環(huán)中節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，避免能量空洞的出現(xiàn)以及提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期，節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋺?yīng)：

   （11）

根據(jù)要求調(diào)節(jié)每層環(huán)的面積，即調(diào)節(jié)圓環(huán)半徑ri，便可實(shí)現(xiàn)每層環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡。

2.3節(jié)點(diǎn)分布控制分布協(xié)作分簇路由算法（CHMA）

2.3.1 簇首的選舉

預(yù)選簇首的選舉和經(jīng)典LEACH算法類似，當(dāng)預(yù)選簇首確立之后，建立相應(yīng)的簇。再依k（是常數(shù)，為節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)競(jìng)爭(zhēng)代價(jià)的影響程度，本文中取k=1）的選擇，進(jìn)行一次簇內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)成為最終的正式簇首，競(jìng)爭(zhēng)代價(jià)考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和其到預(yù)選簇首的距離，為：

   （12）

具體競(jìng)爭(zhēng)步驟為：

1）按照隨機(jī)算法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)預(yù)選簇首；

2）節(jié)點(diǎn)等待其他簇首的廣播消息，并根據(jù)接收消息的信號(hào)強(qiáng)度確定加入簇。如果在一定的時(shí)間內(nèi)未接收到簇首的廣播消息，則自己宣布成為簇首；

3）預(yù)選簇首廣播Msg消息，該消息包括自己的ID和剩余能量Ei；

4）其它節(jié)點(diǎn)j根據(jù)接收信息的信號(hào)強(qiáng)度選擇加入簇，并計(jì)算與預(yù)選簇首間的距離dj2ch；

5）簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)和預(yù)選簇首進(jìn)行剩余能量的比較，如果自己大于預(yù)選簇首，則向簇首發(fā)送簇內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的消息MSG_compete，該消息包含節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量，以及其到預(yù)選簇首的距離dj2ch。

6）預(yù)選簇首對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)消息根據(jù)式（12）計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)代價(jià)，競(jìng)選代價(jià)最小者成為正式簇首。

圖3 簇內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)流程