基于冗余節(jié)點(diǎn)間歇性的WSN路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

馬德朋，王 軍，田 鹍，徐萬一

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大規(guī)模無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線、自組織、多跳的、沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各個節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)地靜態(tài)地分布在監(jiān)測區(qū)域，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理感知區(qū)域的各個對象的信息，最終形成系統(tǒng)的實(shí)時的感知對象信息[1].感知對象、無線傳感器和觀察者是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個基本要素[2].

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷拓展與創(chuàng)新，其在軍事、醫(yī)療、空間探測、環(huán)境監(jiān)測和商業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)成為現(xiàn)今信息領(lǐng)域最前沿的課題之一[3].WSN的利用效率一直受到節(jié)點(diǎn)能量資源因素的影響，因此，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能量和減少節(jié)點(diǎn)的負(fù)載是研究的重要方向.本文在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種關(guān)于冗余節(jié)點(diǎn)間歇性的WSN路由協(xié)議RY_LEACH路由協(xié)議.改進(jìn)的RY_LEACH協(xié)議可以降低節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的相似度，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

1 WSN能耗分析及路由協(xié)議概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)3部分構(gòu)成.因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期直接決定整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期[4].大部分傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是由有限的微型電源提供，它在工作時內(nèi)部主要消耗能量的部分有傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊.其中無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和交換接收控制信息，消耗傳感器節(jié)點(diǎn)大部分的能量[5].傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗份額情況如圖1所示.

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況

從圖1中可以明顯地看出：傳感器模塊和處理器模塊在正常工作時消耗的能量份額不多，而無線通信模塊在運(yùn)行時消耗能量過多.對于無線通信模塊，在工作過程中又存在4種狀態(tài)，分別為：發(fā)送、接收、空閑和睡眠.其中在數(shù)據(jù)的收發(fā)處理時消耗的能量最多.

網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議是解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，是WSN的核心技術(shù)之一.路由協(xié)議的性能直接影響到傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸效率和節(jié)點(diǎn)的能量消耗，最終影響到網(wǎng)絡(luò)的生命周期.其主要任務(wù)是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)(sink)的最優(yōu)化、最可靠的數(shù)據(jù)傳輸路徑，使網(wǎng)絡(luò)的生命周期達(dá)到最大化[6].

2 LEACH協(xié)議的研究

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上劃分路由協(xié)議，通常分為分簇路由協(xié)議和平面路由協(xié)議兩大類[7].而LEACH路由協(xié)議是第一個在WSN中提出的分簇路由協(xié)議.其主要分為準(zhǔn)備和就緒階段，基本思想是隨機(jī)地產(chǎn)生簇頭，各個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照TDMA方式將信息發(fā)送給簇頭，由簇頭把數(shù)據(jù)經(jīng)過融合壓縮發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn).該過程可以減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量，更有效地利用節(jié)點(diǎn)的能量資源，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間.

LEACH簇頭的產(chǎn)生算法：首先從每一個傳感器節(jié)點(diǎn)中選取隨機(jī)數(shù)，其范圍介于0～1之間，然后與閾值T(n)比較，小于閾值的作為簇頭；簇頭再把自己成為簇頭的消息向其他節(jié)點(diǎn)廣播，最后節(jié)點(diǎn)收到信號后根據(jù)信號強(qiáng)弱選擇簇頭，并對簇頭進(jìn)行應(yīng)答.其中T(n)的計(jì)算公式為

(1)

其中：n代表節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；p代表節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的百分比；rmod(1/p)為一輪循環(huán)中成為簇頭節(jié)點(diǎn)的個數(shù)；G是最近1/p輪中還沒有成為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合；r代表目前循環(huán)的輪數(shù).

3 改進(jìn)的LEACH路由協(xié)議

在LEACH路由協(xié)議中，存在感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集、相鄰節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)重復(fù)度高的情況.這種冗余節(jié)點(diǎn)過多導(dǎo)致采集的冗余信息量大，增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載.為了提升簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的使用價(jià)值，更好地延長WSN網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率，設(shè)計(jì)了RY_LEACH路由協(xié)議.RY_LEACH路由協(xié)議主要是通過衡量傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的覆蓋范圍，比較傳輸數(shù)據(jù)的相似性，對監(jiān)測區(qū)域和信息被完全覆蓋的冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間歇性的休眠調(diào)節(jié)，降低對感知區(qū)域監(jiān)測信息采集的相互重疊.

3.1 基本思想

3.1.1 感知覆蓋

所定義的感知覆蓋是指一個傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍與相鄰節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域存在交集，交集區(qū)域的感知信息完全相同.當(dāng)一個傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍被相鄰節(jié)點(diǎn)完全覆蓋時，即作為判斷該節(jié)點(diǎn)作為冗余節(jié)點(diǎn)的條件之一，這時其感知的覆蓋率定義為百分之百.其覆蓋狀況如圖2所示.

圖2 感知范圍覆蓋圖

從圖2中可以看出：節(jié)點(diǎn)a的監(jiān)測范圍被節(jié)點(diǎn)b、節(jié)點(diǎn)c、節(jié)點(diǎn)d和節(jié)點(diǎn)e完全包含，就當(dāng)作完全覆蓋.

3.1.2 算法的基本思想

改進(jìn)后的RY_LEACH協(xié)議算法的環(huán)境與LEACH協(xié)議的條件相似，滿足以下要求：

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)的功能相同，感知半徑相同；

(2)傳感器節(jié)點(diǎn)被大量地隨意部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量相同；

(4)在傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑內(nèi)，能感知到正在運(yùn)行的傳感器的節(jié)點(diǎn)及其他感知信息；

(5)節(jié)點(diǎn)靜止.

假設(shè)節(jié)點(diǎn)的初始能量值均為1，每一個節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)最多有10個，運(yùn)行一輪之后，各個節(jié)點(diǎn)的能量都發(fā)生了變化，部分節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測半徑縮小，監(jiān)測范圍發(fā)生變化.綜合考慮節(jié)點(diǎn)的感知范圍的覆蓋率和傳輸數(shù)據(jù)的相似度作為冗余節(jié)點(diǎn)休眠的條件，再進(jìn)行下一輪簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉.

在RY_LEACH路由協(xié)議中，在LEACH協(xié)議機(jī)制下選舉簇頭之后，執(zhí)行完第一輪的同時，各節(jié)點(diǎn)的ID已知，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的感知范圍的覆蓋率，然后再計(jì)算各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的相似度.如果檢測范圍被完全覆蓋且數(shù)據(jù)相似度達(dá)到一定值，那么該節(jié)點(diǎn)第二輪開始進(jìn)入睡眠狀態(tài)，睡眠時間根據(jù)實(shí)際情況提前預(yù)設(shè)為Tv.為了避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)大面積休眠而造成感知區(qū)域出現(xiàn)盲區(qū)，當(dāng)冗余節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生時，與其相鄰節(jié)點(diǎn)有感知重疊的傳感器節(jié)點(diǎn)將不再被同輪選為休眠節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)入下一輪工作狀態(tài).當(dāng)休眠時間等于Tv時，休眠節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài).這個過程可以提高無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量利用率，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

3.1.3 計(jì)算方法

(1)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的感知覆蓋

當(dāng)節(jié)點(diǎn)n在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行感知信息時，感知范圍看作為半徑為rε的圓形區(qū)域，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，節(jié)點(diǎn)的感知半徑也發(fā)生變化，實(shí)時感知半徑公式為

(2)

其中：Es表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量；Ec表示節(jié)點(diǎn)的初始能量；Es/Ec表示剩余傳感器能量占總能量的百分比；R為傳感器節(jié)點(diǎn)的最初感知半徑值；β為能量的權(quán)重值，其值根據(jù)具體應(yīng)用選取.

傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍為

(3)

其中：rε為節(jié)點(diǎn)實(shí)時感知半徑，Sα為實(shí)時感知區(qū)域的大小.通過計(jì)算各個節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域來進(jìn)行下一步的傳感器節(jié)點(diǎn)感知覆蓋情況評估，提高篩選冗余節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確度.

(2)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的感知覆蓋區(qū)域

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)n的感知范圍包含于其所有相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍并集時，該節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域就被完全覆蓋，其計(jì)算公式為

Sn?(Sa∪Sb∪…∪Sj).

(4)

其中：Sn表示節(jié)點(diǎn)n的感知區(qū)域；Sa、Sb、Sj表示與節(jié)點(diǎn)n相鄰的節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域，其中已經(jīng)對每個節(jié)點(diǎn)的最多相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)目做出了10個的限定.當(dāng)節(jié)點(diǎn)n的感知范圍Sn滿足被相鄰節(jié)點(diǎn)完全包含時，就可以斷定該節(jié)點(diǎn)滿足了當(dāng)選冗余節(jié)點(diǎn)的條件之一.

(3)計(jì)算節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的相似度

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)n會感知周圍的信息，然后發(fā)送給簇頭或者基站，有感知范圍重疊的節(jié)點(diǎn)會搜集到部分重疊的數(shù)據(jù)信息，信息的相似度用Jaccard相似系數(shù)來計(jì)算[8]，其函數(shù)為：

Xn=(X1,X2,X3,…,Xσ)，

(5)

Ym=(Y1,Y2,Y3,…,Yτ)，

(6)

(7)

其中：Xn表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n包含的數(shù)據(jù)信息量的大小；X1、X2、X3、Xσ表示數(shù)據(jù)信息量從各個角度分析的特征；Ym表示與節(jié)點(diǎn)n相鄰的數(shù)據(jù)信息量的大小；Y1、Y2、Y3、Yτ表示相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的各個維度的特征；Jaccard(Xn,Ym)表示數(shù)據(jù)的相似系數(shù)；Xn∩Ym表示節(jié)點(diǎn)n采集的信息量的特征和與其相鄰的信息量的特征的相同部分所組成的數(shù)據(jù)信息量大小；Xn∪Ym表示節(jié)點(diǎn)n采集的信息量特征和與其相鄰的信息量特征合并成的數(shù)據(jù)信息量大小.將計(jì)算數(shù)據(jù)的相似系數(shù)高低作為選定冗余節(jié)點(diǎn)的條件之一，能更加精準(zhǔn)地對冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷.

3.2 算法的流程

根據(jù)算法的基本思想，在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，對冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠調(diào)整，改進(jìn)的算法流程如圖3所示.

由RY_LEACH算法流程可以看出：在LEACH協(xié)議選舉第一輪簇頭的基礎(chǔ)上，先判斷節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測范圍是否完全被覆蓋，再確定傳送的數(shù)據(jù)信息是否相似，最終確定冗余節(jié)點(diǎn)，使其休眠，其他節(jié)點(diǎn)開始下一輪工作，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)休眠時間時，節(jié)點(diǎn)自動進(jìn)入當(dāng)前工作狀態(tài)，重新參與信息的采集和簇頭的選舉過程.該算法可以很大程度上減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能源浪費(fèi)，進(jìn)而延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

圖3 RY_LEACH協(xié)議算法流程

4 仿 真

4.1 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的路由協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中的效果，使用OPNET仿真軟件進(jìn)行仿真[9].通過其呈現(xiàn)的可視化圖形方式，采用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析[10].從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)分布、網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和存活節(jié)點(diǎn)數(shù)角度分析新路由協(xié)議的功能.設(shè)定滿足仿真條件的環(huán)境參數(shù)：在100 m×100 m的監(jiān)測范圍里隨意部署100個傳感器節(jié)點(diǎn)，基站在位置為(50，50)，設(shè)置每個節(jié)點(diǎn)的感知半徑為6 m，每隔4輪進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)覆蓋度收集，傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為1 J，節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能耗為5 nJ/bit，數(shù)據(jù)包的大小為1 500 bit，節(jié)點(diǎn)每次睡眠的時間為10 s.

4.2 仿真結(jié)果與分析

通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具得到仿真模型，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)對LEACH協(xié)議、LEACH-EE協(xié)議[11]和RY_LEACH協(xié)議進(jìn)行對比分析.

觀察LEACH協(xié)議、LEACH-EE協(xié)議和RY_LEACH協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，LEACH協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)如圖4所示，LEACH-EE協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)如圖5所示，RY_LEACH協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)如圖6所示.

圖4 LEACH協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)

圖5 LEACH-EE協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)

從各圖中可以看出：在LEACH協(xié)議和LEACH-EE協(xié)議運(yùn)行機(jī)制下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)全部隨機(jī)分布，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)能對監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行全面感知；改進(jìn)的RY_LEACH協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，對冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了睡眠處理，監(jiān)測范圍能涵蓋整個監(jiān)測環(huán)境.通過對冗余節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)節(jié)，能節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)負(fù)載，使網(wǎng)絡(luò)生命周期得到延長.

圖6 RY_LEACH協(xié)議節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)

在LEACH協(xié)議、LEACH-EE協(xié)議和RY_LEACH協(xié)議中，感知覆蓋情況如圖7所示.在相同監(jiān)測輪數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)目相等的條件下，在開始到4輪時，3種協(xié)議下感知覆蓋率均為100 %，在4輪以后，3種協(xié)議下的感知覆蓋率發(fā)生輕微變化，采用LEACH協(xié)議、LEACH-EE協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)感知覆蓋率為99.5 %以上，改進(jìn)的 RY_LEACH 協(xié)議感知覆蓋率在99 %以上，3種協(xié)議的感知情況趨近于相等，在設(shè)定環(huán)境中不影響對監(jiān)測環(huán)境整體狀態(tài)的判斷.通過對改進(jìn)結(jié)果的分析可知：RY_LEACH協(xié)議下使感知范圍重疊的節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)性歇息，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)可以正常工作，數(shù)據(jù)傳輸量減少，降低了網(wǎng)絡(luò)能量損耗過快的壓力.

圖7 3種協(xié)議感知覆蓋情況

考查節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)目，3種協(xié)議節(jié)點(diǎn)存活的數(shù)量如圖8所示.在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了100個傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過相同的時間觀察，從開始工作到工作400 s時，3種協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)量沒有變化，400 s之后，LEACH協(xié)議中傳感器節(jié)點(diǎn)的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目不斷增加，到2 000 s時，節(jié)點(diǎn)全部死亡；LEACH-EE協(xié)議的節(jié)點(diǎn)存活情況比LEACH協(xié)議好，不過在監(jiān)測時間結(jié)束時，節(jié)點(diǎn)也死亡了一半以上，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的性能；在RY_LEACH協(xié)議中，在監(jiān)測時間內(nèi)經(jīng)過觀察，傳感器節(jié)點(diǎn)大量存活，網(wǎng)絡(luò)能正常工作，且對網(wǎng)絡(luò)的功能沒有造成太大影響.結(jié)果表明：改進(jìn)的RY_LEACH 協(xié)議能更好地延長節(jié)點(diǎn)的生命，進(jìn)一步使網(wǎng)絡(luò)生命周期延長，保證網(wǎng)絡(luò)的整體性能.

圖8 3種協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比較

由仿真結(jié)果對LEACH協(xié)議、LEACH-EE協(xié)議和RY_LEACH協(xié)議的性能進(jìn)行比較，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、以數(shù)據(jù)為中心、節(jié)能、擴(kuò)展性和生存時間5個方面分析，得出的結(jié)論如表1所示.

表1 3種路由協(xié)議性能的比較

5 算法分析和展望

基于冗余節(jié)點(diǎn)間歇性的WSN路由協(xié)議算法的提出，能夠有效地對冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間歇性的休眠調(diào)節(jié)，提高節(jié)點(diǎn)的利用效率，降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，解決LEACH路由協(xié)議下節(jié)點(diǎn)能量消耗不均勻的問題.今后為了更好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議高效選擇簇首的問題，對RY_LEACH路由協(xié)議，在研究過程中應(yīng)注意在冗余節(jié)點(diǎn)的選取時，除了考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的感知覆蓋率和數(shù)據(jù)的相似程度兩個因素外，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的能量剩余、邊緣節(jié)點(diǎn)的工作時間調(diào)整、數(shù)據(jù)的完整性等因素.仿真結(jié)果表明：RY_LEACH路由算法比LEACH協(xié)議在簇頭選擇方面的算法更先進(jìn).

6 結(jié)束語

在LEACH協(xié)議算法的研究背景下，提出基于冗余節(jié)點(diǎn)間歇性的WSN路由協(xié)議算法.在選舉簇頭的過程中，從傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息區(qū)域的重疊性和傳送數(shù)據(jù)的相似性角度出發(fā)，將冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠處理，有效降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的冗余信息，降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，使傳感器節(jié)點(diǎn)的能量得到有效利用.利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具建模，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到新的WSN路由協(xié)議算法——RY_LEACH.仿真結(jié)果證明：RY_LEACH協(xié)議和LEACH協(xié)議相比，能更好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)冗余和數(shù)據(jù)冗余的問題，延長WSN的生命周期.RX_LEACH協(xié)議的提出，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的今后發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義.