節能感知的無線傳感網接入控制與路由優化策略

劉 洋,姜海波,王 崢,龐振江,劉貞瑤,高 超,胡成博,路永玲,孫海全,徐江濤

(1.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,南京 211103; 2.國網江蘇省電力有限公司,南京 210024;3.北京智芯微電子科技有限公司,北京 100192; 4.國網江蘇省電力有限公司檢修分公司,南京 211102)

0 概述

輸電線路監測是電網運維過程中不可或缺的環節,尤其在惡劣的極端環境下,及時將輸電線路沿線所采集的各類物理參量及時反饋到監控中心進行分析與決策,能夠顯著地提高電力傳輸的可靠性[1-2]。基于自組織或蜂窩組網形式的無線傳感網(Wireless Sensor Network,WSN)技術能夠有效替代人工監測方式,在降低電網維護成本的同時提高監測的準確性[3]。部署在輸電線路沿線的傳感器通常以無人值守的模式運行,無法人為地為設備更換電池。因此,在能量受限場景下,傳感器高數據傳輸性能需求與設備壽命需求之間的矛盾尤為突出,成為包括輸電線路傳感網在內的諸多無線傳感網迫切需要解決的關鍵問題[3-4]。

作為衡量WSN性能的關鍵指標之一,傳感器能耗特性對傳感器使用壽命具有重要的影響作用。在通常情況下,傳感器節點的能耗主要源自于發射端的數據傳輸,由媒體接入控制(Media Access Control,MAC)層協議與網絡層協議共同影響。在MAC層,由于頻繁的空閑監聽和節點激活調度,傳感器面臨高能耗挑戰,因此通過優化WSN中MAC協議可以達到降低能耗、延長設備使用壽命的目的。而在網絡層,路由協議可為數據傳輸規劃適當的路徑,高效的路由協議設計不僅能夠降低數據傳輸時延,而且能夠降低無線傳感網的整體能耗。因此,如何設計基于MAC層和網絡層的跨層優化策略,在降低設備能耗的同時保證監測數據傳輸的時效性,成為輸電線路監測領域的熱門課題[1-3]。

本文針對在能量受限場景下無線傳感網中數據傳輸的高性能與低能耗需求之間的矛盾,提出一種節能感知的傳感網接入控制與路由優化策略。

1 相關研究

時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)是用于輸電線路傳感網簇內節點調度的經典MAC層方案,主要包括TDMA方案[5]、位圖輔助(Bit Map-Assisted,BMA)方案[6]以及位圖輪詢(Bit Map-Assisted-Round Robin,BMA-RR)方案[7]。TDMA方案為簇內的每個節點分配正交時隙進行數據傳輸,該方案的缺點在于即使沒有數據傳輸需求,節點在所分配到的時隙內仍然保持激活狀態,從而帶來了不必要的能量消耗。BMA 方案在節點沒有數據傳輸需求時關掉射頻模塊以節約能量,但固定的時隙分配方式無法適應不同節點的負載時變性。BMA-RR方案作為TDMA方案和BMA方案的演進版本,采用自適應輪詢的TDMA調度策略來滿足節點數據傳輸的動態需求。然而,該方案仍然存在以下不足:1)忽略了節點的剩余能量,存在剩余能量無法完成數據傳輸的可能性;2)簇外通信時節點能量分布不平衡,容易導致離基站較近的簇頭節點能量過早耗盡;3)存在空閑監聽的可能;4)在節點的調度與激活過程中忽略了無線信道的隨機特性。

在WSN中,多跳通信技術能夠顯著改善傳感器遠距離端到端通信的能耗性能[8]。源路由方案由于低通信開銷的優勢成為WSN首選的多跳通信方案。適用于輸電線路監測數據傳輸的經典源路由協議包括動態源路由(Dynamic Source Routing,DSR)[9]、按需距離向量的自組織路由(Ad Hoc On-demand Distance Vector,AODV)[10]、能效優先的非均勻聚類(Energy-Efficient Unequal Clustering,EEUC)[11]和非均勻聚類的多跳路由協議(Multihop Routing Protocol with Unequal Clustering,MRPUC)[12]等。在DSR協議中,數據包頭中包含了所有路由節點的有序列表,節點能夠通過緩存特定的路由來降低該路由發現請求的頻率。AODV協議通過定期發送hello消息進行鏈路中斷檢測來確保當前路由的可用性,但是,hello消息的頻繁發送會帶來大量的通信開銷。

上述協議在選擇路由時沒有考慮鏈路質量以及源節點到目的節點路由上中繼節點的能量級別,因此端到端數據傳輸性能受到極大限制。EEUC為基于能量感知的多跳路由協議,通過非均勻簇拓撲結構實現簇間通信。然而,該協議未使用節能MAC協議進行通信,也沒有考慮所選路由的信道質量。MRPUC是一種基于非均勻聚類的多跳路由協議,根據簇頭(Cluster Head,CH)的距離和簇頭的能量水平選擇路由。然而,由于該協議在MAC層需要采用傳統的TDMA方式進行接入控制,導致了大量不必要的空閑監聽。

近年來,環狀路由策略在學術界引起了廣泛的關注,基于環狀路由的多跳通信有效克服了簇頭節點能量分布不平衡的不足,避免了距離匯聚節點最近的中繼節點能量過快耗盡[13],特別適用于匯聚節點位置動態變化的場景。然而,由于算法復雜度的約束,當匯聚節點位置固定不變時環狀路由相比傳統的路由協議優勢并不明顯。此外,研究者仍在探尋高效的路由協議來支持WSN的低能耗與低時延需求。文獻[14]基于位置實時感知的思想研究了移動傳感器數據傳輸可靠性與時延需求之間的折衷關系。文獻[15]研究了通信跳數對傳感器端到端數據傳輸性能的影響,并提出一種自適應的設備調度策略,盡可能保障傳感器的接入數量。然而,這些工作都沒有考慮MAC協議以及信道質量指標(Channel Quality Indicator,CQI)。事實上,由于無線信道的衰落特性,數據傳輸的可靠性是路由選擇的重要性能依據,而從實際無線網絡優化的經驗來看,基于CQI的路由選擇策略能夠為數據傳輸提供極大的保障。

綜上所述,在輸電線路監測傳感網中,基于TDMA的傳統MAC層方案容易造成設備空閑監聽,導致不必要的設備能耗。此外,基于MAC層與網絡層的跨層聯合優化策略的研究較為欠缺。因此,本文從構建節能感知的無線傳感網通信框架出發,研究高效率的跨層數據傳輸協議。在MAC層提出基于節點能量等級的分簇算法和自適應節點激活調度算法;在網絡層,基于CQI和簇頭剩余能量提出了多跳路由選擇算法;針對簇內和簇間通信過程中可能會出現的節點能量分布不平衡,提出了非均勻簇技術,并構建了能耗和業務時延的理論分析模型。

2 系統模型

本文的系統模型如圖1所示,無線傳感網由N個任意分布在二維平面的傳感器節點組成。網絡對這些節點進行分簇管理,每個簇包含若干個普通節點和一個簇頭節點。傳感器具有感知并保存周圍環境參數、協助其他節點轉發數據的功能。每個節點之間的通信鏈路都是雙向的。此外,傳感器節點在其整個生命周期內是不可移動的。但是,由于能量耗盡會導致節點死亡,網絡中存在拓撲結構變化的可能性。簇內的普通節點能夠直接將數據發送給簇頭節點,簇頭節點通過多跳傳輸的方式再將數據轉發給基站。因此,本文所考慮的傳感網的通信形式可分為兩類:一類是簇內普通節點和簇頭節點之間的直接通信;另一類是簇間簇頭節點和基站之間的多跳通信。

圖1 系統網絡模型

圖2給出傳感器節點的通信框架,其中每個簇的設置有固定的通信周期,每個周期均由簇頭構建階段以及多個連續的通信會話幀組成,每個通信會話幀又分為簇內通信和簇間通信兩個過程。簇內通信包含簇頭競爭、簇頭構建、簇成員接入以及數據傳輸階段;簇間通信包括路由請求、路由回復以及多跳通信階段。

圖2 通信框架

2.1 非均勻簇構建

在網絡初始化階段,基站通過向所有節點廣播hello數據包告知其標識(Identification,ID)和地理位置坐標等信息。根據接收到的廣播消息,節點分別計算它們與基站之間的通信距離。在完成網絡初始化后,節點進入分簇階段。

在多跳通信場景中,靠近基站的節點不僅需要發送自身感知的數據,還需要充當中繼轉發其他節點的數據,因此具有更高的能耗。此外,普通傳感器節點和簇頭節點上業務到達量的差異會引起WSN中節點能量消耗的不平衡。由于能量的限制,簇內節點的數量應與簇頭節點的剩余能量成正比,以使簇頭能夠滿足其業務傳輸需求。為了避免節點能量消耗不平衡現象,本文提出一種非均勻分簇策略。

在簇構建期間,傳感器節點首先在一段時隙內競爭簇頭角色。所有節點均廣播自身的暫定簇頭狀態消息,該消息包括節點的ID、能量等級以及位置坐標。如果一個節點監聽到一條帶有更高能量等級的消息,將放棄簇頭競爭,否則推薦自己作為傳輸區域內的簇頭。為了避免節點能量消耗不平衡,靠近基站的節點所在的簇應該具有較小的尺寸。基于此,定義分簇因子Cf來刻畫指定簇頭能夠支持的最大傳感器節點數,其取值由簇頭到基站的距離和簇頭剩余能量共同決定[10],即:

(1)

其中,dmax和dmin分別表示網絡中所有簇頭節點到基站的最大和最小距離,dCH表示CH到基站的距離,Er表示CH的剩余能量等級,Ea_CH表示所有簇頭的平均剩余能量。在計算出Cf后,被選擇的簇頭將最終的簇頭信息廣播給其他普通節點。普通節點需要根據信號強度來預測其與簇頭之間的鏈路信噪比SNRSN_CH和到簇頭的距離dSN_CH,并以此來評估其將數據發送到簇頭的通信開銷Ccost,根據文獻[16]有:

(2)

普通傳感器節點首先根據通信開銷最低的原則選擇簇頭發送鏈接請求,當某個簇達到最大容量時,簇頭將廣播禁止連接消息。此時,被拒絕的普通節點再次根據相同的原則將連接請求發送給下一個簇頭節點,直到成功加入到一個簇為止。最后,簇頭更新簇內成員列表。

上述分簇流程通過圖2和算法1進行具體說明。

算法1分簇算法

1.基站廣播關于其部署特性的初始化消息，節點分別計算其到基站的距離，節點在其通信范圍內通報其暫定的簇頭狀態，節點評估在同一區域內相對于其他節點的能量等級;

2.IF

某個節點的能量等級高于其通信范圍內其他節點的能量等級;

3.推舉自己為簇頭，計算分簇因子，告知其通信范圍內其他節點最終的簇頭狀態，等待其他節點的連接請求;

4.ELSE

5.放棄簇頭競爭,充當普通節點,根據最低通信開銷原則向簇頭發送請求連接;

6.END IF

7.IF

簇內節點數量達到最大值;

8.廣播禁止連接狀態;

9.ELSE

10.允許節點連接;

11.END IF

12.簇頭形成簇內成員列表。

為了平衡不同節點的能量消耗,在不同時間段,簇頭角色可能會由簇內成員輪流擔任。當簇頭的剩余能量低于簇內普通節點的平均水平時,能量等級最高的節點將被選擇為新的簇頭。此分簇算法將產生變簇大小的拓撲結構,簇大小隨著簇頭到基站的距離的減小而減小。

2.2 簇間多跳通信

如圖2所示,在一個通信會話幀中,在接收到來自于簇內普通節點的數據后,簇頭節點將通過其他中間簇頭(Intermediate Cluster Head,ICH)節點將數據轉發給基站。本文提出基于能量與CQI的按需路由策略來實現簇間的多跳通信,該策略包含路徑發現、多跳傳輸以及路由維護3個方面。

2.2.1 路徑發現

在WSN中,基站能夠覆蓋所有節點,但并不是所有節點都能直接與基站通信。只有當存在比源簇頭(Source Cluster Head,SCH)到基站距離更短的中間簇頭時,源簇頭才能進行多跳通信;否則,源簇頭將直接與基站建立連接。在網絡初始化階段,基站將向所有節點廣播hello數據包,而節點根據接收到的信號強度能夠計算出其到基站的距離以及相對于基站的位置坐標。源簇頭使用多跳通信的條件為存在ICH,并滿足下式:

d(SCH,BS)>d(ICH,BS)

(3)

其中,d(SCH,BS)和d(ICH,BS)分別表示源簇頭和中間簇頭到基站的距離。

簇間多跳路徑發現在源簇頭沒有到基站的路由信息且有數據傳輸需求的情況下觸發。在數據被傳輸到基站前,源簇頭首先檢查其路由緩存表中是否保存有到基站的路徑。若沒有到基站的路由信息,則源簇頭通過將路由請求廣播到其鄰居中間簇頭來初始化路由發現過程。中間簇頭分別通過接收到的路由請求信號計算各自的CQI。中間簇頭同樣根據信道質量CQI和能量等級來處理源簇頭的請求,如式(4)所示:

CQIICHi>CQIthr& &EICH>Ethr

(4)

其中,CQIICHi表示中間簇頭在鏈路i上的CQI,CQIthr表示衡量信道質量好壞的門限值,EICH表示中間簇頭的能量等級,Ethr表示中間簇頭能夠擔任中繼節點的能量門限。具有到基站路由信息的中間簇頭將攜帶CQI指示的消息回復給源簇頭。該CQI信息記錄了到該中間簇頭到基站的路徑p中CQI最小值,由下式計算得出:

(5)

若源簇頭通信范圍內的中間簇頭都沒有連接基站的路由信息,則這些中間簇頭將源簇頭的路由請求轉發給更遠的中間簇頭,直到獲得連接基站的路由信息為止。類似地,源簇頭分析每條可行路徑上的最小CQI,并從最小的CQI中選取最大值所對應的路徑作為到基站的路由,即路由選擇SCH-BSroute滿足:

(6)

其中,Routes(SCH)表示源簇頭和基站之間存在的不重疊路徑集合。需要注意的是,若兩條不重疊路徑有相同的CQI,則選擇跳數較小的路徑轉發數據。

2.2.2 多跳傳輸

源簇頭到基站的最佳路由確定后向基站轉發數據。在每一跳中,中間簇頭的地址被添加到包頭,以便在多跳中傳輸到基站。此外,在目的節點收到數據包后發送確認消息給源簇頭,并指示當前的信道質量。具體的源簇頭和中間簇頭通信過程如圖2所示,整個多跳傳輸算法如算法2所示。

算法2多跳傳輸算法

1.IF

源簇頭能夠與基站直連通信;

2.源簇頭檢查信道狀態,向基站發送數據;

3.ELSE

4.源簇頭檢查路由表;

5.IF

存在到基站的路由緩存;

6.直接向下一跳中間簇頭發送數據;

7.ELSE

8.向周圍中間簇頭發送路由請求，中間簇頭根據路由請求包計算CQI;

9.IF

CQI低于最差門限或者中間簇頭能量低于最低門限;

10.中間簇頭忽略路由請求;

11.ELSE

12.For ICH1:ICHBS-1

13.中間簇頭檢查其是否保存有到基站的路由信息;

14.IF

存在路由緩存;

15.更新路由CQI并發送路由回復;

16.ELSE

17.將路由請求轉發給其他中間簇頭,直到找到基站路由為止;并返回路由回復;

18.END IF

19.END FOR

20.END IF

21.選擇CQI最大的路由,向下一跳中間簇頭發送數據;

22.END IF

23.END IF

2.2.3 路由維護

源簇頭和中間簇頭可將新獲得的路由信息保存在路由緩存中,以備將來使用。特別地,源簇頭在路由緩存中可最多存儲3條到基站的最佳路由。當最佳路由出現路由故障時,源簇頭可迅速使用緩存中的下一個最佳路由,避免重新發現路徑所帶來的額外時延。鏈路維護主要通過數據傳輸過程中在所選的路由上使用ACK (Acknowledgement)包完成。中間簇頭在鏈路上發送最新的CQI信息,并在收到數據包時在ACK包上更新其能量級別,從而觀察到鏈路是否變差以及是否需要使用替代路由。當鏈路故障發生時,源簇頭將收到一個路由錯誤包,指導源簇頭將失效路徑從路由緩存中刪除。若源簇頭所記錄的3條最佳路由同時出現故障,那么在需要發送數據時,源簇頭將重啟路徑發現。

3 性能評估模型

3.1 信道模型

(7)

根據SNR取值的不同,可以用三狀態馬爾可夫鏈估計信道狀態,即可用狀態集合:S={g,f,b}刻畫信道質量的好、中、差。將SNR取值劃分為3個不相交的區間,即0<Γf<Γg<+,當γ∈(0,Γf]時,信道處于差質量狀態,當γ∈(Γf,Γg]時,信道處于中等質量狀態,當γ∈(Γg,+)時,信道處于好的質量狀態,則信道的穩態概率滿足:

(8)

3.2 業務模型

無線傳感網的節點在感知周邊環境時會產生流量。本文將節點業務的到達過程視為平均速率λp(packets/s)的泊松過程。將系統時間劃分為連續的時間幀,每一幀的長度固定為T。在第t個幀內,業務到達量Xt的概率分布和數學期望值分別滿足:

Pr(Xt=k)=((λpT)k/k!)e-λpT

E(Xt)=λpT

(9)

在多跳網絡中,每個節點的流量取決于節點的類型。對于簇頭節點或者中繼節點,其業務到達過程可等效為由不同的獨立泊松過程疊加而成的新泊松過程。因此,對于不同類型節點,其業務到達率滿足:

(10)

其中,Ni和Nj分別對應源簇頭和中繼節點所支持的普通節點數,λpi、λpk、λpj、λpl分別表示節點i、k、j、l處的平均業務到達率。

3.3 網絡性能

3.3.1 網絡狀態行為

在每個時間幀內,任意節點均存在3種可能狀態,即休眠態S1、激活態S2以及退避態S3。網絡的狀態可以通過馬爾可夫過程建模,狀態空間為x={1,2,…,K},其中,x表示一個時間幀內網絡激活的節點個數,K表示一個幀內能夠調度的總節點數。節點在休眠態的停留時間服從均值為1/uS1的幾何分布,在激活態的平均停留時間服從均值為1/uS2的幾何分布,在退避態的停留時間服從均值為1/uS3的幾何分布。網絡狀態在不同時間幀中是持續變化的,即在每個幀中,節點可能從其他狀態轉換到激活狀態,也會有節點從激活狀態轉變為其他狀態。令Pij表示在當前時間幀有i個激活節點的條件下,下一個時間幀有j個激活節點的概率,則該狀態轉移概率可表示為:

(11)

其中,fA(y|i)=b(y,N-i,1/uS1)表示前一時刻有i個激活節點情況下該時刻有y個節點進入激活態的概率,該過程服從二項分布,fT(y|i)=b(y,i,1/uS2)表示前一時刻有i個激活節點情況下該時刻有y個節點離開激活態的概率,該過程同樣服從二項分布。此外,以πj表示網絡狀態x=j的概率,根據馬爾可夫狀態轉移理論,有:

(12)

根據文獻[18-19],在一個含有z個簇和j個激活節點的網絡中,k個激活節點屬于同一個簇的概率服從二項分布,即:

(13)

其中,CN表示一個簇中傳感器節點的數目。

3.3.2 節點調度

由本文所提出的節點調度算法可知,實際業務量越大、剩余能量越少的節點能夠被優先調度。調度器根據MAC層和物理層的信息來決定信道的分配,對于有k個節點的簇,在一個時隙內節點w被調度的概率為:

(14)

其中,參數φi表示節點i中數據包到達數量ni與剩余能量Eri的比值,被用于決定節點i通信資源競爭成功的概率。對于被調度的節點,在數據傳輸階段大概率保持激活態,傳輸大量數據,因此其剩余能量也相對較少。這意味著Eri與節點i在激活態停留的時間成正比。此外,數據包到達量ni與業務到達率以及幀長度成正比關系,因此,φi可表示為:

(15)

3.3.3 節點狀態分析

節點狀態轉移過程如圖3所示,若節點沒有數據傳輸需求,則處于休眠態;若有數據傳輸需求,但沒有被調度,則處于退避態;若有數據傳輸需求且得到調度,則處于激活態[20]。

圖3 節點狀態轉移示意圖

因此,節點的狀態轉移概率矩陣可表示為:

(16)

其中,PSiSj表示節點從狀態Si轉移到狀態Sj的概率(i,j={1,2,3})。

1)若節點在上一時隙處于休眠態,則當前時隙的各狀態概率為:

(17)

2)若節點在上一時隙處于激活態,則當數據傳輸完成時,進入休眠態;當仍有數據傳輸需求時,保持激活態,當前時隙的各狀態概率為:

PS2S3=0

(18)

3)若節點在上一時隙處于退避態,則當節點被調度時,進入激活態;當沒被調度時,保持退避態,當前時隙的各狀態概率為:

PS3S1=0

(19)

綜上所述,節點狀態的穩態概率ΨS1、ΨS2、ΨS3可以通過求解以下方程組得到:

(20)

容易證明,上述方程組為三元一次方程組,可聯立式(17)～式(19)進行求解。

3.4 能耗分析

本節將基于本文提出的通信協議分析節點的能耗。對于任意一個節點,其能耗模型可通過下式表示:

(21)

其中,ESj表示節點在狀態Sj的能量消耗。定義節點在休眠狀態的功率為PwS1,停留時間為TS1,則有:

ES1=PwS1TS1

(22)

同理,定義節點在退避狀態的功率為PwS3,停留時間為TS3,則有:

ES3=PwS3TS3

(23)

若節點處于激活態,其能量消耗既可能來自于數據發送,也可能來自于數據接收,激活態停留時間與業務量大小以及傳輸速率有關。假設Pwtx和Pwrx分別表示發送數據和接收數據時節點的功率,R表示節點的數據發送速率,Lpac、Lack、Lrts、Lsch、Lcts分別表示數據包長、ACK包長、RTS包長、調度信息包長以及CTS包長,則節點的激活態的能量消耗滿足:

(24)

需要注意的是,傳感器在不同階段可能只發送數據或者只接收數據,在這種情況下,可將Pwtx和Pwrx按照具體場景設置為0。

因此,對于具有CN個節點的簇,其簇內通信的總能耗為:

(25)

對于簇外多跳通信,簇頭節點沿指定路由向基站轉發數據所消耗的能量與其業務量以及其作為中繼轉發的業務量相關,在給定路徑p上,中繼節點CH的能量消耗可通過下式求得:

(26)

其中,kp表示CH作為簇頭和中繼節點需要向下一跳中間簇頭轉發的數據包數量。

此外,源簇頭到基站(BS)的路徑發現所消耗的能量來自于路由請求和路由回復,前者能耗可建模為:

(27)

其中,NCH表示網絡中所有接收到源簇頭路由請求消息的中間簇頭節點數量。路徑p上中間簇頭回復路由請求所消耗的能量可建模為:

(28)

其中,IM表示路徑p上中間簇頭的數量。

3.5 錯誤率與時延分析

以瑞利衰落信道和BPSK調制為例,信息傳輸的誤碼率與信噪比有關[21],對于本文所提的路由協議,路徑p的信噪比γp=minICHi∈p(γICHi),因此數據傳輸誤碼率滿足[22]:

(29)

對于一個包長為L的數據包,其傳輸錯誤率為:

(30)

因此,在路徑p上,數據包在傳輸過程中的時延為:

(31)

4 性能評估

本節對本文所提數據傳輸協議的性能進行仿真,同時與文獻[7]的BMA-RR MAC層協議進行比較。BMA-RR MAC層協議是改進的TDMA與BMA協議,在輸電線路無線傳感網中表現出較好的性能。本文將100個非移動節點隨機撒在1 000 m×1 000 m的二維矩形區域,并分別通過C++軟件和Matlab軟件進行仿真。此外,本文分別將所提的單獨MAC層協議和跨層協議與BMA-RR MAC協議進行比較,仿真參數如表1所示[7]。

表1 仿真參數

圖4表示在本文所提的MAC層協議與BMA-RR MAC協議下節點在簇內傳輸的能量消耗與業務到達率的關系,其中節點的業務到達率服從泊松分布。由圖4可見,節點的平均業務到達率對其能量消耗有著顯著的影響,尤其是在多通信會話周期場景下,節點獲得越多的時隙傳輸數據,能耗也越大。

圖4 每個節點在簇內通信中的平均能量消耗

Fig.4 Average energy consumption of each node in intra-cluster communication

然而,當業務到達率到達一定值后,節點的能耗趨于平穩,原因在于節點能夠獲得的傳輸時隙已經達到簇頭所能分配的最大值。由于本文所提協議有效避免了節點空閑監聽,并且在本文的分簇算法中,節點只有在沒有發現比其能量等級高的節點時才去競爭簇頭節點,有效避免了低能量節點過度消耗能量,因此本文所提出的MAC層協議在節點節能上優于BMA-RR MAC協議。

圖5表示的是基于本文跨層優化協議、MAC協議與基站直連以及基于BMA-RR MAC協議與基站直連3種策略下的簇間傳輸能耗性能。通過觀察可知,本文所提的多跳路由算法性能優于源簇頭與基站直連通信的算法,這是因為本文所提算法考慮了鏈路CQI,最大可能地保障了數據傳輸的可靠性,避免鏈路情況較差導致的多余能量損耗。而且,本文所提算法利用非均勻分簇方法,通過平衡節點間能耗,提高了能量利用效率。因此,在無線傳感網中數據傳輸的優化需要跨層考慮。

圖5 單通信周期內簇間傳輸能量消耗

Fig.5 Inter-cluster transmission energy consumption in a single communication cycle

圖6表示業務的端到端平均時延性能。隨著業務到達率的增加,時延性能惡化的趨勢越來越大,這是因為每個簇頭以及整體網絡的服務能力都是有限的,數據量越大,簇內節點和簇頭節點的數據積壓量與排隊時延也越大。因此,端到端總體時延隨著業務到達率的增加而不斷惡化。相比其他協議,本文所提出的數據傳輸協議能夠保證更低的時延,這是因為通過選擇較好的鏈路轉發數據,保障了數據傳輸的可靠性,減少了數據重傳次數,降低了傳輸時延。此外,本文所提出的算法減少了源簇頭節點重新啟動路徑發現的頻率,從而有效地縮短了由于選擇路徑而產生的額外時延。

圖6 端到端平均時延

圖7表示在不同仿真周期內提取的分簇信息,其中區域A、B、C距離基站的距離依次減小,需要分別通過2個、1個、0個中繼節點向基站轉發數據。相比基于聚類思想的BMA-RR協議在不同區域分簇大小基本一致,本文所提跨層優化算法在不同區域分簇的大小是不同的,離基站越近,需要轉發的數據量越多,簇頭節點的能耗越大,能夠支持的節點數也越少,所以距離基站越近的區域簇的數量越多,從而能夠有效地保障節點能量分布的平衡性。

圖7 簇大小比較

圖8表示不同區域內數據傳輸的平均值和所有節點總的平均值。通過觀察可知,當節點的平均業務到達率較低時,距離基站越近,節點的數據傳輸時延越低。由于距離基站較近的簇頭需要承擔中繼角色,并且距離基站越近,需要轉發來自于其他區域的數據量越多,因此不同區域的時延性能差異并不能簡單地按通信跳數進行評估。此外,隨著業務到達率的增加,不同區域節點的數據傳輸時延差異逐漸減小,這是因為距離基站較近的簇頭需要轉發的數據量已經達到其通信能力上限,網絡開始出現通信瓶頸。

圖8 不同區域數據傳輸時延

5 結束語

為最大限度地降低能耗,延長輸電線路監測網絡傳感器壽命,本文提出一種自適應的簇內調度策略。通過控制節點在休眠、活動和退避狀態之間轉換減少傳感器節點的空閑監聽,從而降低傳感器能耗。給出一種按需路由協議,基于CQI和簇頭能量等級選擇簇間最佳路由,采用非均勻分簇技術,基于簇頭剩余能量和距基站距離實現簇間能量平衡,延長網絡壽命。實驗結果表明,本文方案不僅有效地降低了節點的能量消耗,延長節點的壽命,而且明顯縮短了業務傳輸時延。考慮到實際輸電線路監測網絡環境的復雜性,下一步將針對具體場景特點對簇頭選擇和路由決策所需的相關閾值進行研究。