一種應用于民航橋載設備監控網絡的路由協議

孫毅剛，高鵬飛，陳維興

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

民航橋載設備是民航局節能減排[1]的重點項目，由電源機組和空調機組構成。根據民航局節能減排戰略部署，飛機在橋載作業時將通過橋載設備[2]替代航空器APU運行，使用電能替代燃油，能夠有效降低整體運行成本。近年來，隨著橋載設備在國內各大機場的投入使用，一方面，航空公司減少APU的使用，從而延長了APU的使用壽命，降低了APU的故障率，也減少了燃油的消耗量；機場除了獲得設備租賃收益外，同時可以提高機場的服務質量。另一方面，橋載設備的安全性問題也備受關注，機場橋載設備也曾陸續發生故障導致飛機機載設備燒毀事件，給國家和企業造成巨大的經濟損失。主要原因是：橋載設備的工況參數不能實時地檢測和有效地干預，從而導致航空安全事故。鑒于此，民航橋載設備監控網絡應運而生。本文主要針對LEACH協議[3-4]在民航橋載設備監控網絡應用中出現數據吞吐量小、節點能耗高和網絡生命周期短等問題，提出優化簇頭選舉機制的改進方法，進一步提升橋載設備監控網絡的性能。

1 橋載設備監控系統（BLEMwsn）

橋載設備監控管理系統主要由無線感知層節點（SN）、現場數據集中器（DE）、服務器以及相關網絡設備（網關、交換機）集成。工作原理是：每個停機位布設50～100個固定不動的SN，使用無線傳感器網絡所選定的網絡、MAC層協議，其中傳感器類感知節點采集橋載設備健康和工況數據、環境數據，RFID類感知節點采集橋載設備的使用記錄數據；多個停機位共用一臺數據集中器，數據集中器即現場無線感知層網關，無線感知層節點采集的數據通過單跳的方式送到數據集中器，數據集中器將收集所有感知節點采集的數據，數據集中器將采集的數據處理后經由停機位LAN接入點和候機樓內的網絡上傳至服務器；再通過服務器依據上傳的監測數據進行有效地干預和控制，以此實現對機場橋載設備運行工況參數和故障的實時監控，同時還可以實現對設備的無紙化管理和維護。圖1為BLEMwsn的物聯網結構圖。

圖1 BLEMwsn物聯網結構圖Fig.1 Structure of the internet of things for BLEMwsn

2 LEACH協議

LEACH協議的運行過程采用了“輪”的概念，每輪次分為2個階段，即：自組織成簇階段和信息穩定傳輸階段。自組織成簇階段的主要任務是根據簇頭選擇算法[5-7]，在所有節點中選擇本輪次簇頭，其他非簇頭成員按照成簇機制選擇最優簇頭并與其通信，成簇階段所用的時間也比較短。信息穩定傳輸階段的主要任務是進行被監測現場的數據采集和傳輸。LEACH協議的關鍵之一是簇頭節點的選取，每個節點產生一個大小在［0，1］的數，如果該數小于閾值T（n），那么該節點被選為簇首。閾值T（n）的公式為

式中：p為簇頭占所有節點的比例；r為當前輪次；G為最近一輪中未被選為簇頭的節點集合。

當簇頭選定后，簇頭節點通過廣播的方式向網絡發送消息，網絡中的節點根據所接收信號的強度[8]來決定加入簇并反饋給簇首，從而完成簇的建立工作。在穩定數據傳輸階段[9-10]，簇成員節點將采集的數據傳遞給簇頭節點，同時簇頭將對其所匯聚的大量數據進行融合處理后再轉發到基站。穩定階段保持一定的時間后，網絡重新開始新一輪，不斷循環下去，直到整個網絡的生命周期[11]結束。

在原系統LEACH協議中，所有節點都有可能被選為簇頭，網絡中節點的屬性按照協議的規則能及時變換。在本文研究的網絡需要滿足以下特征：節點的能量有限，消耗完不能得到補充；網絡中所有的節點都是靜止的，一旦完成部署不能再移動；節點可以通過單跳的方式與基站直接通信；只要網絡中所有節點死亡，網絡也因為沒有數據傳輸而宣告死亡。

3 改進算法

3.1 簇頭選舉閾值改進

改進算法主要對簇頭選舉的閾值公式進行優化改進，原監控系統的LEACH簇頭選舉算法未能考慮節點當前能量和節點到基站的距離等參量因子，改進算法把這2個參量因子加入到閾值公式中，且當節點距離基站在一定范圍內變動時合理調整2個參量因子在閾值中的分配比例。改進后的閾值公式為

式中：Dmax為節點到基站的最大距離；Dmin為節點到基站的最小距離；Di為節點到基站的距離；Ec為節點的當前能量；Eave為節點的平均能量；A、B為參數因子。 其中：當 Di≤35 時，A=α，B=1-α；當 35＜Di≤70 時，A=B=α/2； 當 70＜Di≤100 時，B=α，A=1-α；此處的α取值為0.7。

修訂后算法選舉簇頭時考慮節點能量，盡可能選擇當前能量高的節點，提高其當選為簇頭的概率，若能量低的節點當選為簇頭，必定會加速節點的能量消耗，則簇頭節點因能量耗盡使整個簇失去通信能力，產生監測盲區；同時考慮節點位置因素，降低距離基站較遠的節點當選為簇頭的概率，由于進行數據傳輸時距離越遠能量的消耗就越大，傳輸相同大小的數據時距離簇頭或基站較遠的節點消耗更多的能量；如果其當選后續輪的簇頭，則此節點也會因為能量耗盡失效，這樣造成距離基站較遠范圍內節點過早失效，對整個網絡的負載均衡是不利的。

3.2 基于路徑權重的成簇機制

由于LEACH協議在成簇階段對簇頭的選擇具有一定的盲目性，改進機制考慮普通節點（normal node）到簇頭節點（cluster head）再到基站（base station）的路徑權重值。

假設1 如果把普通節點（N）到基站（B）的最短時延稱為最短長度，即：lmin（N，B）；普通節點（N）和簇頭節點（C）之間的鏈路用（N，C）若 lmin（C，B）≤lmin（N，B），則稱它為有效鏈路。這里將通過鏈路（N，C）到基站（B）的最短長度稱為有效鏈路長度，即：

假設2若記是與普通節點（N）相接的所有有效路徑的平均長度，則有效鏈路（N，C）權重為

其中，K為關聯參數，根據下游鏈路數來確定取值，通常取 3～3.5。

那么，普通節點（N）的權重為與節點相鄰接的各有效鏈路的權重之和為

對于任意路徑Sk，其路徑可靠性wsk是其所有鏈路及所有節點的權重之積。顯然路徑權重值越大的路徑，其路徑可靠性也就越大。

改進的LEACH成簇算法，將分別計算普通節點（N）到每一個簇頭節點（C）再到基站（B）的路徑權重值，普通節點（C）選擇路徑權重值最大所在路徑的簇頭節點加入簇，因為路徑的權重值越大，整個鏈路的可靠性越高，這樣可以減少數據分組重傳，降低節點的能耗，同時減少傳輸延時，提高了網絡數據的吞吐量。

4 仿真與分析

4.1 仿真環境配置

運用Matlab作為實驗的仿真平臺，此監控網絡區域選定一個停機坪單元（200×200）的正方形區域，在此區域內隨機部署100個無線傳感器節點，所有無線節點的形態和功能都是一樣的，每一個節點都有一個標識，每個節點的能量是有限的，無線節點的位置固定不變，基站的位置是固定的，最優簇頭數百分比5%；監控網絡中無線節點接收和發送數據的功率，可以根據2個節點之間的距離自動調整。具體的環境配置參數如表1所示。

表1 橋載設備監控網絡仿真環境參數配置Tab.1 Simulation parameters configuration of the BLEMwsn

4.2 仿真結果分析

由仿真圖像可知：圖2表明改進后協議的監控網絡在第840輪次時出現第一個節點死亡，較原監控網絡協議的713輪次，使整個監控網絡出現第一個死亡節點時間推遲了17.8%，并且可以看出整個監控網絡相同輪次存活節點數目較改進前有進一步的提升。圖3表明改進協議算法更有利于網絡能量的節約，提高了監控網絡節點的能量利用率，使整個監控網絡的能耗更為均衡，同時這種能量效率的提高對整個監控網絡的生命周期有積極的意義。

圖2 網絡存活節點數目對比Fig.2 Comparison of alive nodes

圖3 網絡能量消耗對比Fig.3 Comparison of energy consumption

5 結語

本文對民航橋載設備監控網絡應用低功耗的路由協議LEACH所暴露出的網絡數據吞吐量小、節點能耗高和生命周期短等問題提出對原路由協議的簇頭選舉閾值和成簇機制進行改進，該算法在簇頭選舉階段充分考慮節點能量和位置2個因素在閾值中所占比重，使選舉出的簇頭對整個網絡的負載更趨于均衡。在成簇階段選擇最大的路徑權重值所在路徑的簇頭加入。由仿真結果表明，改進算法進一步提升了橋載設備監控網絡的性能，增加了數據的傳輸量，節約了網絡能量，延長了橋載設備監控網絡壽命。但是本次改進對于算法分簇后的簇成員缺少必要的睡眠機制，且數據信息傳輸只采用一跳的方式，這樣會產生大量的能量消耗，接下來的工作將主要針對這些方面進行優化。

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