無線傳感網二級分簇線形路由協議研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡　玫　王永喜　劉保錄

(蘭州工業學院電子信息工程學院，甘肅 蘭州　730050)

無線傳感網二級分簇線形路由協議研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡玫王永喜劉保錄

(蘭州工業學院電子信息工程學院，甘肅 蘭州730050)

摘要：針對無線傳感網自組網拓撲結構中節點能量消耗大、能耗不均衡的缺點，構建了分布式的二級分簇線形拓撲結構。協議改進了隨機放置節點的自組網方式。灌溉子網根據剩余能量的大小確定二級簇首，未承擔二級簇首的簇內節點等概率競爭，灌溉子網中未承擔二級簇首的簇內節點等概率競爭，并根據剩余能量的大小確定二級簇首；簇內采用單跳的通信方式，簇間采用單跳與多跳相結合的通信方式。仿真試驗結果表明，分布式的二級分簇線形協議在節點生存時間和數據包發送成功率方面明顯優于自組網方式。

蘭州市科技計劃基金資助項目(編號：2012-2-15);

甘肅省教育廳基金資助項目(編號：2013B-091)。

修改稿收到日期：2014-07-27。

第一作者胡玫(1982-)，女，2009年畢業于西北師范大學電路與系統專業，獲碩士學位，講師，主要從事無線傳感網絡、計算機測量與控制的研究。

關鍵詞：無線傳感網絡自組網二級分簇等概率競爭剩余能量

Abstract：Aiming at the defects of the nodes in WSN ad hoc topologic structure, e.g., high energy consumption and uneven energy consumption, the distributed two-level linear clustering topologic structure and relevant protocol are proposed. The protocol improves the ad hoc mode in which the nodes are placed in random. In irrigation sub-network, the head of two-level clustering is determined in accordance with the residual energy, the cluster nodes that not being the cluster head are competing based on equal probability. The single hop communication mode is used within cluster; the combination of both multiple hop and single hop modes is used between or among clusters. The results of simulation show that the distributed two-level linear protocol is better than ad hoc network in node survival time and successful transmit rate of data packets.

Keywords：Wireless sensor network(WSN)Ad hoc networkSecondaryClusterCompete with equivalent possibilityThe rest energy

0引言

河西走廊地處我國西北部，屬于典型的干旱荒漠環境，具有“非灌不殖”、“地盡水耕”的特點。農業是該區的支柱產業，也是該區的耗水大戶。隨著經濟社會的不斷發展，河西走廊農業用水日趨緊張。由于該地區的農田綠洲被大片戈壁、荒漠隔斷，呈不連續、帶條狀分布[1]，因此，需利用ZigBee無線傳感網技術實現大區域、復雜惡劣環境下農業大田的相關信息的準確、全天候、不間斷的無線采集。

降低傳感器節點的能耗、延長網絡生存時間是ZigBee無線傳感網應用中首先要解決的問題之一[2-3]。目前，普遍認為采用高效路由算法可以提高無線傳感器網絡的能量效率[4]。而典型的高效算法，如LEACH、TEEN、HEED[5-6]等并沒有結合應用對象的特點，無法解決一些具體問題。因此，本文針對無線傳感網絡的特點，以河西走廊農業大田為應用對象，設計干旱荒漠環境下帶條狀農田的ZigBee無線傳感網路由協議。該協議通過改進農田中隨機放置節點的自組網方式，構建了分布式的二級分簇線形拓撲結構。子網拓撲中未承擔二級簇首的簇內節點等概率競爭，并根據剩余能量的大小確定二級簇首，較好地解決了網絡能量受限的問題。

1自組網拓撲結構

自組網拓撲結構如圖1所示。

圖1　自組網拓撲結構圖

由于我國農田本身具有面積廣大、地形多樣、所處環境復雜的特點，因此農田灌溉中的傳感器節點多是大規模的隨機放置，沒有規律可循。在這種拓撲結構下，終端節點只負責采集自身覆蓋區域的數據，然后將數據轉發給路由節點。

由圖1可以看出，自組網拓撲結構存在以下問題。

① 由于農田中的節點都是隨機放置，很可能在某一區域多次重復放置節點或沒有放置節點，導致路由節點接收的數據冗余率高或者缺少相關地塊的信息。

② 網絡中大量的終端節點均采集本地信息，然后轉發給路由節點，因此在某時刻路由節點同時接收大量數據時會產生強烈的數據沖突，導致整個網絡的信息吞吐量下降。

③ 終端節點采集數據后，通過路由節點將數據轉發給中心節點。由于該協議是一種靜態路由協議，它的路由節點確定不變，那么路由節點從始至終都要承擔給中心節點轉發大量數據的任務。如果路由節點附近的終端節點因隨機放置而數目過多，則路由節點會因能量過早耗盡而導致該區域的通信中斷。

2系統結構

通過考察分析河西走廊的農田環境、地形及實際的灌溉基礎設施, 同時借鑒國內外的研究經驗，將整個灌溉區域劃分為一個二級分布式體系結構。整個系統由若干個灌溉子網、遠程數據通信網(公眾移動通信網絡或者有線網絡)以及控制中心構成[7]。

在我國政府的大力扶持下，河西走廊的農田現已大面積使用滴灌的方式進行灌溉。滴灌系統由泵站、控制閥門以及灌溉干管、支管和滴管等三級管道組成[8]。結合河西走廊農業大田帶條狀分布的地形特點，將灌溉大田均勻劃分成寬為Z、長為L的地塊(灌溉子網)。每個帶條狀的地塊中都線形放置N個傳感器節點和微型電磁閥，每個電磁閥可以控制該支管上的滴管延伸到的區域的灌溉。灌溉子網結構如圖2所示。

圖2　灌溉子網結構圖

灌溉子網是一個動態分布式的二級分簇線形拓撲結構。灌溉子網中線形放置的終端節點等概率競爭，并根據剩余能量的大小確定二級簇首，如圖3所示。簇內采用單跳的通信方式, 簇間采用單跳、多跳結合的通信方式。

圖3　子網拓撲結構圖

3協議設計

3.1　簇內算法設計

3.2　簇間算法設計

簇間路由是指二級簇首通過單跳或者多跳到達一級簇首的路徑。無線傳感網需要同時支持二級簇首到一級簇首的數據匯聚和一級簇首到終端節點的控制命令的傳達兩種方向的數據流。因此，一級簇首消耗的能量很大。由于無線傳感網絡中簇外的通信能量消耗與通信距離的平方成正比[9]，因此結合河西走廊農業大田具有帶條狀分布的地形特點，設計二級簇首通過單跳或多跳與一級簇首進行通信。如果二級簇首距離離一級簇首近，直接采用單跳與一級簇首通信；但是如果距離很遠，那么采用二級簇首之間的多跳方式進行通信，然后再與一級簇首單跳通信。這樣就保證了一級簇首不會出現能量過低導致整個網絡通信中斷的情況發生，有效延長了整個網絡的壽命，提高了數據包的發送成功率。

簇間數據通信時利用數據融合的方法降低一級簇首接收數據的冗余度。數據聚合的方式為NnK→K，Nn表示無線傳感網中全部終端節點的數目，K表示傳送的數據包長度。數據融合方法大大減少了一級簇首接收的信息量，提高了能量的利用率。

由于存在無線信道的干涉現象，簇內簇首產生后，如果它們之間的距離小于簇半徑，就會產生簇間干擾。二級簇首之間的距離越近，那么簇間的干擾就會越強，甚至可能造成消息重傳，導致額外的能量開銷[10-12]。因此，設置無線傳感網二級分簇線形協議中每個灌溉子網面積時，要綜合考慮簇外通信能量消耗與通信距離的關系和簇間通信覆蓋區域交疊存在通信干擾這兩個問題。

4應用模型與仿真結果

4.1　應用模型設計

NS2軟件仿真使用的應用模型是一個長為1 000m、寬為500m的帶條狀區域A，一級簇首位于該區域的幾何中心，坐標為(500，250)，應用模型如圖4所示。

圖4　應用模型圖

將A平均分成12個面積相等的灌溉子網，每個灌溉子網中線形放置5個終端節點。網絡節點的位置信息全部已知，節點初始能量均為2 J，數據包大小為525 B。

如果第一個灌溉子網中的終端節點1采集到一幀信息，那么經過終端節點2，它以直線單跳的形式把信息傳送給二級簇首3，最后該簇首以多跳的形式與基站完成通信。經過一段時間后，在該灌溉子網中終端節點4又采集到一幀新的信息，未承擔過二級簇首任務的終端節點1、2和5各有1/3的概率成為該簇的新簇首，最終根據它們剩余能量的大小來確定簇首，完成與一級簇首之間的通信。

4.2　仿真結果

利用NS2軟件分別對自組網拓撲結構和二級分簇線形協議進行仿真。節點死亡數與網絡工作時間關系如圖5所示。

圖5　節點死亡數與網絡工作時間關系圖

由圖5可以看出，在整個網絡工作的時間中，與自組網拓撲結構相比二級分簇線形協議節點死亡數目明顯減少。由于協議采用簇內終端節點等概率競爭，剩余能量大者為二級簇首的方法，保證了整個網絡中節點能量的均衡性，延長了網絡的工作壽命。

數據包括包發送成功率曲線如圖6所示。

圖6　數據包發送成功率

由圖6可以看出，二級分簇線形協議數據包發送成功率高于自組網拓撲結構。網絡工作時間大于2 500 s后自組網拓撲結構的數據發送成功率急劇下降，而二級

分簇線形協議曲線變化并不顯著。這是因為隨著網絡工作時間增長，數據聚合以及二級簇首的產生逐漸體現在控制數據發送成功率上。

5結束語

結合河西走廊地形環境特點，設計無線傳感網的二級分簇線形協議。協議采用簇內終端節點等概率競爭，剩余能量大者為二級簇首的方法，保證了整個網絡中節點能量的均衡性，延長了網絡的工作壽命。試驗結果表明，分布式的二級分簇線形協議在節點生存壽命和數據包發送成功率性能上明顯優于自組網方式。因此，該協議可以廣泛應用在與河西走廊地形環境特點類似的復雜惡劣的大區域中。

參考文獻

[1] 吳建民,高煥文.甘肅河西走廊水資源供需分析及耕作節水研究[J].農業工程學報，2006,22(3)：36-39.

[2] 劉園莉,李臘元,盧迪.節能的無線傳感器網絡分簇路由協議的研究[J].傳感技術學報，2010,23(12)：1792-1797.

[3] 李予東,黃宏光,向西西.基于能量均衡的ZigBee路由算法優化[J].計算機工程與設計，2011,32(2)：397-400.

[4] 李建坡,姜雪,朱緒寧.無線傳感器網絡能耗均衡LEACH路由算法[J].自動化儀表，2014,14(9)：51-54.

[5] 付曉陽,方鈺,石辰杰，等.面向非均勻單元格分簇的無線傳感網路由協議[J].小型微型計算機系統，2014,35(3)：458-462.

[6] 朱先飛,張鉞,陳曉彬，等.能量采集無線Mesh網路由協議研究[J].科學技術與工程，2014,14(9)：59-63.

[7] 胡靜,沈連豐.基于博弈論的無線傳感器網絡分簇路由協議[J].東南大學學報：自然科學版，2010,40(3)：441-445.

[8] 秦雙龍,趙海峰.基于無線傳感器網絡的智能節水灌溉系統[J].電氣自動化，2012,34(3)：18-21.

[9] 高磊磊.一種能量有效的無線傳感網路由算法研究與實現[D].南京：南京理工大學，2014.

[10]湯雄.無線傳感網路由技術及關鍵軟件的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2013.

[11]孫超,趙路路,張影，等.無線傳感器網絡分簇拓撲的覆蓋區域節點調度優化算法研究[J].傳感技術學報，2010,23(1)：116-121.

[12]賀玲玲.ZigBee傳感網絡Cluster-Tree改進路由算法研究[J].傳感技術學報，2010,23(9)：1303-1307.

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501017