SDWSN下的一種基于QoS的簇頭選取機制

朱騰

摘 要：為了解決傳統無線傳感器網絡下復雜的簇頭選取機制的難以配置和并未涉及服務質量（QoS）的問題，本文提出了一種名為SD-QCHS的軟件定義服務質量簇頭選取機制。該機制通過網絡中節點的節點擁塞度、鏈路擁塞度和節點到達Sink節點的距離來選取多種類型的簇頭對用不同的QoS。當簇成員收集到信息后，會將不同類別的信息發送到最適合這種數據傳輸的簇頭節點上。最后，本課題將SD-QCHS簇頭選取機制結合最短路徑路由算法提出SD-QCHSRA分簇路由算法。實驗結果表明，SD-QCHSRA算法在丟包率上略好于LEACH算法。

關鍵詞：無線傳感器網絡 軟件定義無線傳感器網絡 服務質量 簇頭選取機制

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0030-03

無線傳感器網絡是一種自組織、非中心、多跳無線網絡[1]。為了提高能量利用效率，減少傳輸延遲，節點被分成多個簇，稱之為分簇算法。目前，大部分無線傳感器網絡分簇算法的研究都集中在保證能量效率和負載均衡的問題上，最具有代表性的就是LEACH算法[2]。LEACH算法的核心原理是通過等概率在全網隨機選擇簇頭從而使整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點上，達到減少網絡能量消耗和延長網絡的生命周期。雖然LEACH算法可以保證每個節點以等概率成為簇頭，使得網絡中節點的能耗相對均勻，但其并沒有考慮QoS，這在如今在許多數據流量動態變化的應用程序場景中很難適用。在文獻[4-5]中，它們只提供了不同的路由算法來解決QoS問題，但是僅僅是在扁平結構下進行的，沒有涉及分簇問題。在文獻[5]中，作者提出了區分隊列服務（QDS）來解決有線網絡中的類似問題。在文獻[6]中，通過改進QDS使其適合于無線傳感器網絡。但是，對于資源有限的傳感器節點，很難在實際應用中得到有效的實現。

因此，本文提出了一種復雜的簇頭選取機制來選取多種簇頭，以支持不同類型的數據在簇內路由來到達滿足不同數據QoS的目的。

不幸的是，在傳統無線傳感網絡下復雜的簇頭選取機制常難以配置和實現。造成這種現象的原因是因為傳感器節點有限的計算能力和存儲空間和固化的協議配置。因此，需要引進新的技術來解決這個問題。

軟件定義網絡（SDN）是一種新型的網絡架構，實現了網絡控制平面與數據平面的分離[9]，與傳統的網絡架構相比，SDN在可編程性、硬件通用性、管理控制等方面具有明顯的優勢。文獻[7-9]中，作者將SDN引入到WSN中，命名為SDN-WISE， EWSDN。

因此，本文的主要貢獻是提出了一種新的集中式簇頭選取機制SD-QCHS，它的設計基于開源軟件定義無線傳感器網絡項目SDN-WISE。SD-QCHS的核心思想是選擇多種簇頭，以支持WSN中簇成員收集的不同級別的QoS。

1 SD-QCHS詳解

SD-QCHS的流程如下：第一步，控制器發送命令進行拓撲發現。接下來，控制器通過其掌握的全局網絡信息選擇簇頭節點。sink節點收到控制器發送的拓撲發現命令后發送拓撲初始化數據包（TI），其中包括節點到sink節點的距離、節點的剩余能量、節點擁塞程度和鏈路狀態。

每個傳感器節點定期（控制器可以設計周期）或者控制器下發指令執行拓撲發現操作，并將TI包發送到WISE-VISOR?？刂破骰谶@些數據構建整個網絡拓撲。

然后，本文將具體描述如何通過拓撲發現過程中獲得的信息來選擇簇頭節點。實際上，不同的QoS級別意味著不同類型的網絡數據流量，例如：實時流量的端到端時延較低，而丟包率敏感的數據類型需要報文投遞率高，報文丟失概率低。因此，本文的目標是提出一個新的解決方案來滿足這種情況。所以本文提出了多重簇頭競爭時間（）的概念，表示節點i成為第n種類型簇頭的競爭時間。控制器根據公式（1）計算每一個節點的，之后控制器選取值最小的節點作為簇頭節點。之后，控制器通過下發流表來告知節點和其鄰居節點成為了簇頭和簇成員節點。

（1）

公式（1）中，NCi為節點i的節點擁塞度；Di為節點i到sink節點的距離；LCi為節點的鏈路擁塞度；REPi為節點i的剩余電量；αn和βn為成為第n種類型簇頭的權重參數。Tin表示自定義最大簇頭競爭時間。

節點擁塞度NCi、節點鏈路擁塞度LCi和節點到sink節點距離分別根據公式（2）（3）（4）計算：

NCi=Qi/Li （2）

LCi=1-（Si，n/Mi，n） （3）

Di=DSi/DSmax （4）

公式（2）中，Qi為節點i的及時隊列長度；Li為節點i的緩存區長度[10]。當節點有大量數據還沒有從其緩存區發送的時候，其節點擁塞度就很高，如果繼續向其發送數據會增加新發數據的時延。公式（3）中，Si，n為一定時間內節點i發送到其鄰居節點成功的數據包總數；Mi，n為一定時間內節點i發送到其鄰居節點數據包的總數。公式（4）中，DSi為節點i到sink的距離；DSmax為整個網絡中節點i到sink距離的最大值。

實時性的數據需要很低的時延。因此當控制器選取該類型的簇頭時，要求該候選節點的NCi、Di和REPi盡量大。從而得出結論，對于實時性數據在選取簇頭時應該保持公式（1）中的αn大于βn。對于對丟包率敏感的數據包αn應該小于βn。

如表1所示，本文根據數據類型所需時延和其對丟包率的敏感度將其分為5種。其中αn和βn的取值范圍為0～1。當控制器根據公式（1）計算簇頭競爭時間時，在對應的數據類型的權重取值范圍內隨機選取一個數值來計算。

2 仿真結果

本文將第三章提出的SD-QCHS簇頭選取機制與最短路徑路由算法相結合提出了SD-QCHSRA分簇路由算法。對SD-QCHSRA算法進行了仿真驗證，仿真環境如表2所示。

當α1=0.892，β1=0.983，α2=0.825，β2=0.125，α3=0.625，β3=0.366，α4=0.427，β4=0.723，α5=0.128，β5=0.932時，SD-QCHSRA和LEACH算法的丟包率如圖1所示。

SD-QCHSRA和LEACH的丟包率比較如圖1所示。Class1和Class5的丟包率符合表1的要求，并且比其他類要低。仿真結果表明，SD-QCHSRA各類平均丟包率小于1%，LEACH平均丟包率約為1.5%。Class1、2、3、4、5的平均丟包率分別為0.385%、1%、0.734%、0.505%、0.386%。證明了本文提出的簇頭選取機制為數據提供了最適合的簇頭節點。

3 結語

本文主要研究一種集中式簇頭選取機制，以支持數據流動態變化的無線傳感器網絡中的QoS，解決了傳統復雜的分布式分簇算法難以配置且無法達到全局最優的問題。提出的SD-QCHSRA可以選擇5種類型的集群頭節點來支持五種級別的QoS。允許簇成員在發送數據時選擇最適合它們的不同類型的簇頭節點。將SD-QCHS和最短路徑路由算法相結合，得到了一種新的路由算法SD-QCHSRA。

參考文獻

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