森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效路由算法

王艷麗

(渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院　渭南　714000)

森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效路由算法

王艷麗

(渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院渭南714000)

摘要針對(duì)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須滿足能耗低的特點(diǎn),論文提出一種有效的簇頭選擇方法。該方法以剩余能量為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)簇頭,同時(shí),由于森林環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,在簇頭選擇過(guò)程中考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢?。?duì)于能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而言,如果某節(jié)點(diǎn)占有能量?jī)?yōu)勢(shì),讓其連續(xù)成為簇頭或某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流成為簇頭,避免每輪簇頭的選擇。理論分析和仿真結(jié)果表明,該算法有效平衡節(jié)點(diǎn)間能耗,降低算法開(kāi)銷,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 剩余能量; 能耗; 網(wǎng)絡(luò)生命周期

Class NumberTP3391.9; TN929

1引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量傳感器節(jié)點(diǎn),自組織構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)多跳進(jìn)行傳輸,成本低、高容錯(cuò),即使在惡劣環(huán)境下也可繼續(xù)傳輸[1]?；谏鲜鎏攸c(diǎn),將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)[2],在節(jié)點(diǎn)的部署過(guò)程中,考慮環(huán)境因素,傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行市電供電,而采用電池供電,降低能耗也是必須要考慮的要素之一[3]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,路由協(xié)議直接決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、網(wǎng)絡(luò)能量消耗等特性。

LEACH[4]算法是一種均勻分簇路由協(xié)議,通過(guò)隨機(jī)選擇簇頭,構(gòu)造大小相等的簇,簇內(nèi)能耗均衡,但缺點(diǎn)是遠(yuǎn)離基站的簇頭能量?jī)?yōu)先消耗,造成能量空洞[5]。文獻(xiàn)[6]所提EEUC路由協(xié)議通過(guò)控制簇頭的競(jìng)爭(zhēng)半徑調(diào)節(jié)簇的規(guī)模大小,靠近基站的簇規(guī)模較小,可以減小簇頭收集簇內(nèi)數(shù)據(jù)的消耗能量,同時(shí),在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí),考慮其剩余能量,更好地做到能量消耗均衡。文獻(xiàn)[7]提出對(duì)簇頭的選擇機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化,既考慮節(jié)點(diǎn)能量,又判斷簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的距離。TTDD[8]、TEEN[9]等分簇路由協(xié)議是在LEACH基礎(chǔ)上改進(jìn)的,研究LEACH協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制,對(duì)其簇頭選擇機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)具有重大意義。本文針對(duì)WSN在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的特點(diǎn)出發(fā),提出一種新的路由算法,選擇簇頭既考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量,又考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

2森林環(huán)境中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求

WSN路由協(xié)議負(fù)責(zé)將各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)。森林火災(zāi)無(wú)線WSN符合如下要求:

1) 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電,需要滿足低功耗。

2) 最終目的是測(cè)試林區(qū)溫度、濕度和煙霧濃度。

3) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的ID,可獲知自己的坐標(biāo)信息,都能擔(dān)任簇頭或普通節(jié)點(diǎn)。

4) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作均不受其他節(jié)點(diǎn)影響。

5) 由于森林環(huán)境的特殊性,受自然因素、人為因素等影響,傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能被破壞,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。

基于上述特點(diǎn),本文針對(duì)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)特殊環(huán)境,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,電池供電有限等因素,尋找較優(yōu)的路由算法。

3網(wǎng)絡(luò)與能耗模型

3.1網(wǎng)絡(luò)模型

本文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作如下假設(shè):

1) 網(wǎng)絡(luò)屬于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),傳感器節(jié)點(diǎn)部署后位置保持不變。

2) 節(jié)點(diǎn)能量可異構(gòu)。

3) Sink節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的幾何中心位置,位置固定且唯一,能量無(wú)限制。

4) 傳感器節(jié)點(diǎn)類型同構(gòu),其能量不可以補(bǔ)充。

5) 通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)減少數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

3.2能耗模型

本文采用文獻(xiàn)[10]的能耗模型,可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)發(fā)送lbit數(shù)據(jù)需要消耗的通信能耗為

(1)其中,Eelec是發(fā)射或接收電路消耗的能量;d是發(fā)射節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)之間的距離;dcrossover是模型的距離閾值;εf和εm是模型中的功率放大能量系數(shù)。上述計(jì)算中,忽略節(jié)點(diǎn)在計(jì)算、存儲(chǔ)等過(guò)程中的能量消耗。

由式(1)可知,近距離通信時(shí),傳輸能耗與距離呈平方關(guān)系,遠(yuǎn)距離通信與距離呈四次方關(guān)系。在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中簇內(nèi)通信數(shù)據(jù)量較大,因此選擇d

同理,可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)接收l(shuí)bit數(shù)據(jù)需要消耗的能量為

Er=lEelec

(2)

4基于拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的路由協(xié)議

WSN路由協(xié)議負(fù)責(zé)將各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[11]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用相關(guān)并受資源的限制,需要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)森林環(huán)境復(fù)雜,供電困難,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)基于拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的路由協(xié)議。

4.1簇頭選舉

每一簇中的簇頭將采集的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇既要考慮節(jié)點(diǎn)能量,又要考慮節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢?。例?如果節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域拓?fù)涿芏却?則其有更高的優(yōu)先級(jí)成為簇頭[10],如圖1所示。

圖1　拓?fù)湮恢门c網(wǎng)絡(luò)能量關(guān)系

如果簇頭位置在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿芗瘏^(qū)的邊緣,即低密度位置,簇頭簇內(nèi)半徑,簇頭位置在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿芗瘏^(qū)的中心,即高密度位置,簇頭簇內(nèi)半徑?？梢酝茖?dǎo)出,選擇節(jié)點(diǎn)在高密度位置的節(jié)點(diǎn)作為簇頭擁有更高的通信能耗效率。

4.2簇頭輪換

由于節(jié)點(diǎn)能量的不斷變化,不可能讓單一節(jié)點(diǎn)始終擔(dān)任簇頭角色,因此,大部分路由協(xié)議采用簇頭輪換機(jī)制。對(duì)于能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而言,簇頭的選擇可以改變以往的思路,若某節(jié)點(diǎn)占有能量?jī)?yōu)勢(shì),讓其連續(xù)成為簇頭或某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流成為簇頭。本文采用以下方法:

1) 為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡,選擇相對(duì)剩余能量大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)當(dāng)簇頭;

2) 當(dāng)某節(jié)點(diǎn)成為簇頭,收集一次簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)剩余能量信息,根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息按一定規(guī)則確定下一任簇頭對(duì)象;

3) 如果其他節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于當(dāng)前簇頭能量,那么該簇頭繼續(xù)承擔(dān)簇頭角色;

4) 反之,若其他簇頭中有一節(jié)點(diǎn)剩余能量大于當(dāng)前簇頭節(jié)點(diǎn),該簇頭退出,由剩余能量大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭角色。

采用上述方法避免了每輪簇頭的選擇,降低了算法開(kāi)銷,達(dá)到盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

5仿真分析

為了驗(yàn)證基于拓?fù)潢P(guān)聯(lián)路由算法的有效性,將本文算法與LEACH、EEUC算法進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò)大小設(shè)定為100m×100m,節(jié)點(diǎn)數(shù)為100,節(jié)點(diǎn)的位置隨機(jī)生成。具體參數(shù)如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

仿真1本文算法與LEACH、EEUC算法網(wǎng)絡(luò)壽命比較。

圖2　各算法網(wǎng)絡(luò)壽命比較

如圖2所示,執(zhí)行至大約850輪時(shí),LEACH算法出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn),執(zhí)行至大約1150輪時(shí)EEUC算法出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)。LEACH算法過(guò)早出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn),主要是簇頭選擇采用了隨機(jī)方式,EEUC算法在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮剩余能量,緩解了簇頭能量消耗不均衡的問(wèn)題。本文算法在大概1250輪時(shí)出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn),主要是選取簇頭時(shí)既考慮剩余能量又考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢?簇頭每輪不必進(jìn)行簇頭選擇,降低了算法開(kāi)銷,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。

仿真2為了準(zhǔn)確描述網(wǎng)絡(luò)剩余能量和生存周期的關(guān)系,對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖3　剩余能量與生存周期關(guān)系

從圖3可以看出,本文算法的能量消耗小于LEACH算法和EEUC算法。網(wǎng)絡(luò)失效時(shí),EEUC算法剩余能量大約90J,本文算法剩余能量大約51J,本文算法有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

6結(jié)語(yǔ)

針對(duì)森林火災(zāi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)嚴(yán)格要求能量的特征,本文提出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的路由算法,該算法執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)剩余能量和節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奈恢眠M(jìn)行簇頭選擇,根據(jù)某鄰居節(jié)點(diǎn)收集能量信息進(jìn)一步確定下一任簇頭。簇頭輪換根據(jù)剩余能量大小決定,避免了每輪進(jìn)行簇頭選擇,節(jié)約了頻繁簇頭選舉帶來(lái)的額外通信開(kāi)銷。仿真結(jié)果表明,與LEACH算法和EEUC算法相比,本文算法節(jié)省了簇頭選取能耗開(kāi)銷,顯著延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間。

參 考 文 獻(xiàn)

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Efficient Routing Algorithm in Forest Fire Monitoring Wireless Sensor Network

WANG Yanli

(College of Network Security and Information Technology, Weinan Normal University, Weinan714000)

AbstractIn order to improve the performance of forest fire warning system, an effective routing algorithm is proposed. Based on the residual energy, the cluster head is designed. At the same time, due to the forest environment, the network topology is dynamic, the node position is considered in the process of cluster head selection. For the energy heterogeneous network, if a node has much energy, it can become a cluster head or a few nodes alternately to be cluster head. Theoretical analysis and simulation results show that the algorithm is effective balance between energy consumption of nodes, the algorithm reduces the overhead and prolongs the network life cycle.

Key Wordswireless sensor network, residual energy, energy consumption, network life cycle

收稿日期:2015年12月9日,修回日期:2016年1月29日

基金項(xiàng)目:渭南市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2015KYJ-2-2,2015KYJ-2-3);渭南師范學(xué)院科研項(xiàng)目(編號(hào):15YKP006)資助。

作者簡(jiǎn)介:王艷麗,女,碩士,講師,研究方向:無(wú)線通信信號(hào)處理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

中圖分類號(hào)TP3391.9; TN929

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.025