城軌無(wú)線傳感網(wǎng)中鏈狀分簇路由協(xié)議的研究

華吉宏，張璐，范毅，曲昕，趙慧

（1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連　116028；2.中國(guó)聯(lián)通大連分公司 遼寧 大連　116028）

城軌無(wú)線傳感網(wǎng)中鏈狀分簇路由協(xié)議的研究

華吉宏1，張璐2，范毅1，曲昕1，趙慧1

（1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連116028；2.中國(guó)聯(lián)通大連分公司 遼寧 大連116028）

本文為解決在城市軌道交通實(shí)際環(huán)境中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗不均、數(shù)據(jù)延遲和冗余等問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)并采用基于鏈?zhǔn)降姆执芈酚桑↙P）協(xié)議，并結(jié)合在NS2環(huán)境下對(duì)該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬仿真，從網(wǎng)絡(luò)能量的消耗、網(wǎng)絡(luò)延遲以及匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量三個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析；得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，相對(duì)于分簇路由協(xié)議和鏈狀路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，LP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)降低了70%，網(wǎng)絡(luò)能耗降低了50%，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量提高了10%。LP協(xié)議有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期并且節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能耗，十分適合城市軌道交通這一特殊領(lǐng)域，達(dá)到了預(yù)期目的。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；簇頭節(jié)點(diǎn)NS2；城市軌道

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，如何確保城市軌道列車安全高效的運(yùn)行成為急待解決的課題，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，增強(qiáng)對(duì)行車設(shè)備中關(guān)鍵部分的監(jiān)測(cè)能力就顯得尤為重要。然而在城市軌道交通的實(shí)際環(huán)境中，對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基本無(wú)法人工完成，因此具有高效監(jiān)測(cè)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗及低成本等優(yōu)勢(shì)，適用于城市軌道交通的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中。

在城市軌道環(huán)境中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為帶狀，會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)能耗不均、數(shù)據(jù)延遲和冗余等問(wèn)題，最終影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量，影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)就是提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，以提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。因此能否設(shè)計(jì)出高效的路由協(xié)議，滿足網(wǎng)絡(luò)的性能要求，成為決定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵。

1　城軌WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚稍O(shè)計(jì)思路

文中設(shè)計(jì)了一種鏈狀路由分簇協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是在線形自組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，按照指定的路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)分成無(wú)數(shù)個(gè)連通的簇，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)生改變時(shí)能自動(dòng)更改簇的結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)可以正常的運(yùn)行［1］。

在該分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如果沒(méi)有指定的任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊是關(guān)閉的，這樣可以節(jié)約很多能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期［2］。綜合城軌WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其路由協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)延遲低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、能量均衡的特性。基于鏈狀的分簇路由算法，充分利用了分簇路由算法將能量平均分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和鏈狀路由算法節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量的優(yōu)點(diǎn)，從而有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2　基于鏈狀的分簇路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

LEACH協(xié)議是一種低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議［3］。該協(xié)議的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)簇，根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)安排的TDMA時(shí)間調(diào)度，簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后，再將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)或終端用戶。這樣可以大大節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗。PEGASIS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的一種分層路由協(xié)議［4］，不過(guò)在該協(xié)議中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只形成一個(gè)簇，稱為“鏈”。PEGASIS協(xié)議中由于采用單簇結(jié)構(gòu)，簇頭的可靠性非常重要，其故障或失效將導(dǎo)致路由失敗并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作；如果鏈過(guò)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延將會(huì)增大，不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。

圖1　線性分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于鏈狀的分簇路由協(xié)議 （LP）按周期執(zhí)行，單位是“輪”，每輪通信都分為兩個(gè)階段：簇的建立階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段。簇的建立階段又分為簇頭的選舉與調(diào)整、簇內(nèi)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成和再次成簇3個(gè)部分。在該算法中，首先運(yùn)用LEACH算法將所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分簇，然后按照PEGASIS算法在簇內(nèi)形成鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后將各簇的簇頭即鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)重新成鏈。

圖2　鏈?zhǔn)椒执芈酚蓞f(xié)議流程圖

2.1簇的建立

2.1.1簇頭的選舉與調(diào)整

在選取簇頭前先將所有節(jié)點(diǎn)分簇。因?yàn)榇仡^在傳送信息時(shí)，離匯聚節(jié)點(diǎn)越近消耗能量越小，為了控制并接收較多簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳遞的信息，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，該算法采用不均勻分簇方式，即離匯聚節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的簇其成員節(jié)點(diǎn)就越少，越近則成員節(jié)點(diǎn)就越多。為使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)，首先需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況選取最合適的簇頭數(shù)量，再選取合適的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭［5］。

假設(shè)在一個(gè)城軌網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)镠×H的網(wǎng)絡(luò)中有M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)劃分成N個(gè)簇，則網(wǎng)絡(luò)中就有N個(gè)簇頭，每輪通信的過(guò)程中假設(shè)節(jié)點(diǎn)只發(fā)送單位量的信息，且忽略因數(shù)據(jù)融合而產(chǎn)生的能耗［6］。下面我們將通過(guò)對(duì)能量進(jìn)行分析計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)簇頭數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算出的門限值選出合適的簇頭。

每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)在一輪的通信中所消耗的總能量ECH，可分為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)和將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分：

其中Eelse表示發(fā)射和接收單位信息消耗的能量，εmp表示簇頭節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí)單位能耗的參數(shù)，ds表示簇頭結(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，EDA表示單位數(shù)據(jù)信息融合的能耗；

每個(gè)簇內(nèi)在一輪通信中，非簇頭節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)消耗的能量：

其中εfs表示簇成員節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)通信時(shí)單位能耗的參數(shù)，dτ為簇成員結(jié)點(diǎn)到簇頭結(jié)點(diǎn)的距離。

在每個(gè)簇內(nèi)，單位周期所需能耗為：則該網(wǎng)絡(luò)中一輪的通信中N個(gè)簇所要消耗的總能量為：

由于該城軌檢測(cè)區(qū)域的總面積為H×H，因而得出每個(gè)簇所占的面積S=H2/N，此面積為隨機(jī)產(chǎn)生的區(qū)域，且假設(shè)每個(gè)簇的簇頭節(jié)點(diǎn)都分布在簇中央，因此我們就能得到簇內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離：

由于E（d2s）只與簇頭節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離有關(guān)，與簇頭的個(gè)數(shù)N沒(méi)有直接的關(guān)系，設(shè)Ls為匯聚節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離并和公式（6）同時(shí)代入公式（5）得：

（7）式中通過(guò)Eall對(duì)N求導(dǎo)，并使導(dǎo)數(shù)為零：

從上式（9）中我們可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)簇頭個(gè)數(shù)只和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊長(zhǎng)H，以及匯聚節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中心距離有關(guān)，我們將在仿真初始時(shí)對(duì)此參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

確定了簇頭的個(gè)數(shù)，接下來(lái)要選取簇頭。簇內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于簇頭非常重要，消耗的能量也比其他節(jié)點(diǎn)多，因此簇頭節(jié)點(diǎn)的能量應(yīng)比其他節(jié)點(diǎn)高。首先根據(jù)計(jì)算得到的簇頭數(shù)Nopt，按照不均勻分簇策略，將網(wǎng)絡(luò)分成Nopt個(gè)簇，并選取每個(gè)簇中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任這一輪該簇的簇

就能得出最優(yōu)簇頭數(shù)Nopt的值為：頭。這樣就能保證某些節(jié)點(diǎn)不會(huì)因?yàn)槟芰肯倪^(guò)快而提前宣布死亡。

2.1.2簇內(nèi)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成

當(dāng)簇頭形成后，各個(gè)簇內(nèi)都會(huì)采用PEGASIS算法構(gòu)成鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，使原來(lái)的一條長(zhǎng)鏈變成了無(wú)數(shù)的短鏈。在簇內(nèi)，我們選取距匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為此時(shí)的簇頭節(jié)點(diǎn)即鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，該鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)通過(guò)比較選出距離自己最近的節(jié)點(diǎn)加入到該鏈中，此時(shí)新加入鏈的節(jié)點(diǎn)就變成了新的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，該鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)繼續(xù)前一鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的操作，一直到簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都加入到該鏈上。這樣簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就形成了一條鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)B簇為離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的簇且B3為該簇中距離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，則B3即為該鏈的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn) B1、B2、B4、B5和B6的數(shù)據(jù)都要依次傳送到B3，如圖3所示。

圖3　鏈上節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)

2.1.3鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)再次成簇

為了節(jié)省能量，避免每個(gè)鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)分別向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本算法增加了再次成簇這一環(huán)節(jié)，當(dāng)每條鏈的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)融合完本鏈的數(shù)據(jù)后，鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)將再次形成一個(gè)簇，簇內(nèi)也采用PEGASIS算法構(gòu)成鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，并直接選取離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的那個(gè)節(jié)點(diǎn)為最終的簇頭節(jié)點(diǎn) （該鏈的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)）。設(shè)A、B、C分別代表不同的簇，由于第二階段中，B簇為離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的簇，所以在再次成簇這一階段中，B3即為新的簇頭，且A3、B3、C4形成新簇，數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3所示。

圖4　成簇后節(jié)點(diǎn)傳輸分組

2.2穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段

在穩(wěn)定傳輸階段，由于簇內(nèi)采用的是鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以數(shù)據(jù)都是從鏈尾節(jié)點(diǎn)傳向鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，按照貪婪算法將數(shù)據(jù)傳遞到離自己最近的節(jié)點(diǎn)，按此重復(fù)的傳輸數(shù)據(jù)直到傳遞到鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，然后鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，再與其他簇的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)形成新的簇，再以同樣的方式，將數(shù)據(jù)傳送到新的鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，新鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)將自己采集的數(shù)據(jù)與傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

3　仿真結(jié)果分析

本節(jié)將通過(guò)TCL/TK語(yǔ)言在仿真工具NS2環(huán)境下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證鏈狀分簇路由協(xié)議在改善網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)越性［7］。不失一般性地，在仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，我們選取城軌一站的距離進(jìn)行仿真，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為N=40，匯聚節(jié)點(diǎn)（不包含在40個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)）固定在一站的中央。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

仿真實(shí)驗(yàn)將從網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)能量的消耗、網(wǎng)絡(luò)延遲以及匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量3個(gè)角度將LEACH、PEGASIS、LP 3個(gè)不同協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。從圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期（即輪數(shù)）的增加，LP的能耗明顯比LEACH的能耗低很多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在運(yùn)行輪數(shù)未達(dá)到1000輪時(shí)更為突出；如圖6所示是不同的算法在網(wǎng)絡(luò)中總時(shí)延隨著運(yùn)行的輪數(shù)而變化的曲線，從圖中可以看出LP的優(yōu)勢(shì)極為明顯，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到第 500輪時(shí)，PEGASIS網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延大約是 500個(gè)單位，LEACH大約是600個(gè)，而LP的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延大約是147個(gè)單位。從而得知PEGASIS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延大約是LP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延的3.4倍，而LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延大約是其4倍。圖7中LP協(xié)議的匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)量在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到400輪左右時(shí)也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，每輪傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也較其他兩種協(xié)議有所增加。

表1　仿真參數(shù)

圖5　網(wǎng)絡(luò)能耗與輪數(shù)的關(guān)系

由以上對(duì)比分析可以看出，LP協(xié)議內(nèi)通過(guò)采用PEGASIS協(xié)議的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)能耗大量減少。而又因?yàn)椴捎昧薒EACH協(xié)議中分簇策略，使得網(wǎng)絡(luò)的總延時(shí)也大大地降低。最終還大大提高了匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量。因此，文中設(shè)計(jì)的基于鏈?zhǔn)降姆执芈酚蓞f(xié)議更適合城軌這一特殊領(lǐng)域。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)無(wú)線傳感器中節(jié)點(diǎn)能耗分布不均以及信息時(shí)延大、匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量偏低等問(wèn)題，并結(jié)合城軌中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分布特點(diǎn)，提出了基于鏈狀的分簇路由協(xié)議，改善了分簇機(jī)制本身將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該協(xié)議能有效均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，減小時(shí)延，最終增大匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的傳輸數(shù)據(jù)量。由此可看出基于鏈狀的分簇路由協(xié)議確實(shí)能使城軌無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得到優(yōu)化。

圖6　網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延與輪數(shù)的關(guān)系

圖7　匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)量與輪數(shù)的關(guān)系

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Research on wireless sensor networks in urban rail chain clustering routing protocol

HUA Ji-hong1，ZHANG Lu2，F(xiàn)AN Yi1，QU Xin1，ZHAO Hui1
（1.School of Electrical&Information Engineering，Da Lian Jiaotong University，Dalian 116028，China；2.China Unicom Dalian Branch，Dalian 116028，China）

In this paper，in order to solve the energy consumption inequality，data latency，and redundancy and other issues ofWireless sensor networks at the UMT actual environment.Through the designing and using of the LEACH based on PEGASIS （LP）and the virtual simulation of wireless sensor networks in NS2 environment，it is analyzed from three angles like network energy consumption、network latencyand the amount of data aggregation node received.Concluded that，with respect totheLEACH and the PEGASIS，LP agreement reduce by 70%on network latency，reduce by 50%on energy consumption，improved by 10%on the amount of data aggregation node received.The LP agreement extends the network lifetime and saves energy network effectively，it is well suited to this particular area of urban rail transport and to achieve the desired purpose.

wireless sensor networks；routing protocol；cluster head nodeNS2；urban rail

TP393.04

A

1674－6236（2016）06-0022-04

2015-04-30稿件編號(hào)：201504319

華吉宏（1990—），女，安徽安慶潛山人，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制技術(shù)。