基于事件驅動的動態(tài)分簇網絡的協(xié)作傳輸方法

李 敏 熊 燦 肖 揚

(重慶郵電大學自動化學院 重慶 400065)

1 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量節(jié)點組成的分布式傳感網絡，廣泛應用于醫(yī)療監(jiān)控、智慧城市、野生動物跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)檢測等領域[1,2]。在大多數(shù)應用場景中，傳感器節(jié)點由電池供電，為降低節(jié)點的能耗，延長網絡的生命周期，常將大規(guī)模網絡進行分簇[3–6]。各簇成員將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)融合后再發(fā)給匯聚節(jié)點，以提高能量利用效率。近年來，為實現(xiàn)對突發(fā)事件的檢測和報告，基于事件驅動的傳輸方法被提出[7–11]。文獻[7]將事件驅動機制引入智慧城市的焦點服務觸發(fā)過程中，建立了根據(jù)不同社會實體和個人決策的公共焦點服務模型與處理過程。文獻[8]提出了一種基于錨點的時空事件的檢測和報告路由協(xié)議。文獻[9]將事件驅動應用于生物免疫系統(tǒng)中。文獻[10]針對含有未知輸入的離散隨機系統(tǒng)，結合事件驅動機制設計估計器以實現(xiàn)無線傳感節(jié)點的遠程狀態(tài)估計。文獻[11]將事件驅動用于大數(shù)據(jù)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的選擇性存儲上，以提高異常事件的高效保存和可信預警。在基于事件驅動的網絡中，節(jié)點收集數(shù)據(jù)由事件的發(fā)生與否來決定，無事件發(fā)生時，節(jié)點休眠或以極低的頻率向簇頭定時匯報節(jié)點狀態(tài)；有事件發(fā)生時，節(jié)點被喚醒，高頻采集數(shù)據(jù)并向簇頭高速傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對事件的實時監(jiān)測[12–14]。

以上研究中，對網絡進行分簇和利用事件驅動來設計數(shù)據(jù)的傳輸方法旨在提高網絡的能量效率，延長網絡的生命周期。但在突發(fā)緊急事件的監(jiān)測中，如山洪、臺風、森林火災、燃油或化學物質泄漏等，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃酝瑯又档藐P注。文獻[15]用兩類節(jié)點，即傳感節(jié)點和中繼節(jié)點來分別承擔感知和數(shù)據(jù)包多跳轉發(fā)任務以提升節(jié)點的能量效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但在無線傳感器網絡中，很少布置專門的中繼來轉發(fā)數(shù)據(jù)，且當事件連續(xù)變化時，原有的多跳路由不再適用，頻繁的中繼選擇也會耗費更多的能量?；诖?，本文針對事件驅動的無線傳感器網絡，利用節(jié)點間的互助，提出了一種動態(tài)分簇的協(xié)作傳輸方案來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴１疚闹饕獎?chuàng)新點如下：

(1)針對事件驅動的大規(guī)模無線傳感器網絡的傳輸可靠性問題，本文提出了一種基于事件驅動的動態(tài)分簇網絡的協(xié)作傳輸方法。根據(jù)運動事件的特征，定義了事件的大小、移動速度和方向，描述了事件簇的形成過程；

(2)根據(jù)網絡中不同位置的節(jié)點協(xié)作效果不同，本文提出了基于前向通道的最佳中繼選擇方法。處于事件移動方向上的節(jié)點更接近于事件中心和匯聚節(jié)點，從該區(qū)域中選出的最佳中繼能更好地實施協(xié)作傳輸；

(3)仿真結果和實驗測試結果驗證了所提方法的有效性。與其他方法相比，所提方法能提高數(shù)據(jù)包的傳輸率，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 系統(tǒng)模型

考慮由N個傳感節(jié)點s i(i=1,2,···,N)和1個匯聚節(jié)點D構成的無線傳感器網絡，N個節(jié)點隨機分布在M×M的方形區(qū)域內，匯聚節(jié)點在方形區(qū)域外，如圖1所示。假設任意兩節(jié)點間的信道服從獨立的Rayleigh衰落，且具有對稱和長靜態(tài)特性。各節(jié)點配備單根天線，具有相同的初始能量E0，工作在半雙工模式，單位頻譜上的數(shù)據(jù)傳輸速率為Rbps。假定各節(jié)點均知曉自身的位置，用平面坐標系x,y表示。

圖1 系統(tǒng)模型

為節(jié)省節(jié)點能量，網絡被劃分為大小不等的K個靜態(tài)簇。無事件發(fā)生時，各簇成員以極低的頻率周期性地向簇頭匯報節(jié)點狀態(tài)，簇頭融合接收到的數(shù)據(jù)后發(fā)往匯聚節(jié)點。當有事件發(fā)生時，所有節(jié)點進入警備狀態(tài)，感知到事件發(fā)生的節(jié)點迅速加入事件簇，事件感應值最大的節(jié)點成為事件中心節(jié)點。事件簇形成后，各節(jié)點依次向簇頭發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，簇頭融合后向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用反饋機制來反映匯聚節(jié)點是否成功收到數(shù)據(jù)。若匯聚節(jié)點反饋ACK幀，表明數(shù)據(jù)成功發(fā)送；若反饋的是NACK幀，則表明數(shù)據(jù)接收失敗，此時需啟動協(xié)作傳輸，由最佳中繼節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點。

假設事件遵循隨機路徑移動，移動速度為v。事件形狀為圓形，半徑為re，事件大小由事件中心節(jié)點到事件簇中最遠節(jié)點的距離來決定。

3 基于事件驅動的協(xié)作傳輸協(xié)議

3.1 協(xié)議描述

采用與文獻[16]類似的動態(tài)TDMA調度方案，不同的傳輸狀態(tài)分配不同長度的時隙。根據(jù)有無事件發(fā)生，將數(shù)據(jù)傳輸過程分為兩個狀態(tài)：靜態(tài)簇傳輸和事件簇傳輸。靜態(tài)簇傳輸采用低頻方式，時隙長度為Ts；事件簇采用高頻方式傳輸數(shù)據(jù)，時隙長度為Td，Td?Ts，網絡的通信流程如圖2所示。

(1)靜態(tài)簇建立。如圖2(a)所示，網絡開始運行時，各節(jié)點按照文獻[17]競爭簇頭，各簇頭依次廣播成簇信息，收到成簇信息的節(jié)點加入相應的簇。靜態(tài)簇建立后，簇頭和簇成員保持不變。

圖2 網絡的通信流程圖

(2)靜態(tài)簇傳輸。如圖2(b)所示，所有節(jié)點均以Ts為時隙長度依次向簇頭發(fā)送信息，簇頭融合數(shù)據(jù)后發(fā)往匯聚節(jié)點。為降低節(jié)點的能耗，在一個時隙內，若節(jié)點未感知到事件發(fā)生，則每個節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)后進入休眠狀態(tài)，直到下一輪相應時隙開始時才被喚醒。若節(jié)點感知到事件發(fā)生，則傳輸完數(shù)據(jù)后轉入預警狀態(tài)，等待加入事件簇。事件的檢測詳見3.2.1小節(jié)。匯聚節(jié)點接收到事件數(shù)據(jù)時，立即廣播事件傳輸開始(Event Transmission Start,ETS)幀，通知各節(jié)點停止靜態(tài)簇傳輸，并在下一時隙啟用事件簇傳輸，時隙長度為Td。收到ETS幀的節(jié)點進入預警狀態(tài)，等待競爭事件簇的簇頭。

(3)事件簇傳輸。事件簇開始時，處于預警狀態(tài)的節(jié)點競爭事件簇簇頭，事件簇簇頭的競爭詳見3.2.3小節(jié)。競選成功的簇頭廣播成簇邀請，收到成簇邀請的節(jié)點加入事件簇，如圖2(c)所示。事件簇中各節(jié)點依次傳輸所感知的數(shù)據(jù)到簇頭，簇頭融合所有數(shù)據(jù)發(fā)往匯聚節(jié)點。若匯聚節(jié)點反饋ACK幀，則表明當前輪數(shù)據(jù)傳輸成功，各節(jié)點進入新一輪事件簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸。若反饋NACK幀，則表明匯聚節(jié)點未能成功收到事件信息，則在事件的前向通道上選擇最佳中繼，由最佳中繼轉發(fā)數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點。最佳中繼的選擇詳見3.3節(jié)。匯聚節(jié)點檢測每輪傳輸來的數(shù)據(jù)，若無任何節(jié)點檢測到事件的發(fā)生，則廣播事件傳輸結束(Event Transmission End,ETE)幀，解散事件簇，下一時隙長度為Ts，所有節(jié)點執(zhí)行靜態(tài)簇傳輸。

3.2 事件簇的形成

3.2.1事件的檢測和事件中心節(jié)點的確定

圖3 事件參數(shù)計算圖

圖4 事件簇的形成中子時隙的劃分和通信流程圖

(1)確定事件中心節(jié)點。當有事件發(fā)生時，各節(jié)點競爭事件中心節(jié)點。在第1個子時隙Td0s開始時，各警備節(jié)點按事件感應強度的倒數(shù)1/SIs i設置定時器初值并開始計時，同時監(jiān)聽信道；若定時時間到時信道為空，則該節(jié)點發(fā)送事件感應值、自身坐標等信息給匯聚節(jié)點，該節(jié)點即為事件中心節(jié)點；若定時時間未到，而有節(jié)點搶占信道，則競爭失敗，該節(jié)點立刻關閉計時器并監(jiān)聽事件中心節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，獲取事件中心節(jié)點的坐標。

(2)競爭簇頭。簇頭承擔著簇內協(xié)調、簇成員數(shù)據(jù)的接收、融合和傳輸任務，是事件簇形成過程中重要的一部分。簇頭的選擇需考慮以下3方面因素：

(a)具有一定的剩余能量。設置剩余能量閾值Eth，只有剩余能量大于等于Eth的節(jié)點才有資格競選簇頭；

(b)到匯聚節(jié)點的信道質量足夠好。能成功收到ETS幀的節(jié)點說明其到匯聚節(jié)點的信道質量較好，具有競爭簇頭的資格；

(c)距離事件中心節(jié)點的距離。離事件中心節(jié)點越近的節(jié)點具有更大的感應強度，數(shù)據(jù)傳輸時所消耗的功率越小。

考慮以上3個因素，各節(jié)點檢測自身的剩余能量E s i，若Es i

(3)成簇。在接下來的子時隙，各事件感知節(jié)點競爭加入事件簇。事件指示變量Q s i=1的節(jié)點按事件感應強度的倒數(shù)1/SIs i設置定時器初值并開始計時，同時監(jiān)聽信道；感應強度最大的節(jié)點第1個搶占信道，發(fā)送確認信息給簇頭，其在事件簇中的編號設置為j=1。在后面的每個時隙，未加入簇的各節(jié)點重置定時器，繼續(xù)競爭信道，競爭成功者，發(fā)送確認信息給簇頭，并設置在事件簇中的編號。當子時隙中無節(jié)點占用信道時，成簇結束。

3.3 最佳中繼選擇策略

在連續(xù)事件的監(jiān)控中，當事件簇簇頭向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)失敗時，其他節(jié)點協(xié)作傳輸。因事件連續(xù)移動，處于事件前進通道一定范圍內的節(jié)點對事件的感知更強烈更及時可靠。因此，本小節(jié)提出基于前向通道的最佳中繼選擇策略。

由3.2.1節(jié)、3.2.2節(jié)可知，事件直徑為 2re，移動速度為d=v×Td，與x軸夾角為θ，以事件中心為起點，沿事件發(fā)展方向為中垂線，構建2re×d的矩形，如圖5所示，該矩形即為所設定的前向通道區(qū)域。各節(jié)點根據(jù)事件中心節(jié)點的位置，事件移動速度和方向，計算自己是否位于該區(qū)域內。前向通道4個頂點P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),P4(x4,y4)的坐標分別為

圖5 前向通道示意圖

由以上4個頂點確定前向通道矩形的4條邊界，各節(jié)點將自身坐標代入4條邊界進行計算，看自己是否位于前向通道矩形區(qū)域內，若是，則有資格參與最佳中繼的競爭，設置區(qū)域指示標記I Sj=1；否則，無資格競爭，I Sj=0。同時，成功監(jiān)聽到事件簇簇頭數(shù)據(jù)并成功解碼NACK幀的節(jié)點具有與簇頭和匯聚節(jié)點較好的信道質量，能承擔協(xié)作轉發(fā)任務，設置信道指示標記ICj=1，否則， I Cj=0。ISj=1 且I Cj=1的節(jié)點競爭最佳中繼，啟動定時器，將初值設置為與剩余能量成反比，并監(jiān)聽信道。具有最大剩余能量的節(jié)點當選為最佳中繼，協(xié)作完成數(shù)據(jù)的傳輸。若無節(jié)點參與競爭，則產生中斷。

4 仿真結果與分析

為驗證所提方法的有效性，將所提方法與文獻[17]中的EEAOC方法、文獻[18]中的RETP方法進行了對比，觀察不同參數(shù)下數(shù)據(jù)傳輸可靠性。仿真參數(shù)設置如下：網絡中節(jié)點數(shù)N=200，所有信道服從Rayleigh衰落，節(jié)點間的信道均值為1。單位頻譜上傳輸速率R為1 b/s,Td=0.001 s，仿真輪數(shù)為10000次。

數(shù)據(jù)包傳輸率(Packet Deliv er y Rat io,PDR)定義為匯聚節(jié)點D成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)的比率。圖6給出了不同方法在不同信噪比下的PDR。從圖6可以看出：EEAOC方法的曲線在中高信噪比下PDR明顯低于另兩種方法，這是因為EEAOC方法只采用了直接傳輸，直接傳輸失敗則產生中斷。本文方法和RETP均采用了協(xié)作傳輸，直接傳輸失敗時有其他節(jié)點協(xié)作傳輸，故傳輸可靠性得到提升。本文方法在數(shù)據(jù)包傳輸率上更優(yōu)于RETP，原因是RETP中RRT算法僅僅是增加傳輸節(jié)點數(shù)量并未考慮協(xié)作節(jié)點的性能。而本文方法在前向通道上選擇協(xié)作能力最強、剩余能量最多的節(jié)點為最佳中繼，進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，從而獲得更高的數(shù)據(jù)包傳輸率。

圖6 不同信噪比下各方法的數(shù)據(jù)包傳輸率比較

為了測試不同網絡規(guī)模下系統(tǒng)的性能，圖7比較了不同方法在不同節(jié)點數(shù)量下的數(shù)據(jù)包傳輸率。從圖7可以看出：隨著節(jié)點數(shù)量的增加，本文方法和RETP方法的PDR逐漸升高，而EEAOC方法PDR保持不變。這是因為EEAOC方法無協(xié)作傳輸，PDR高低取決于信道的好壞。而RETP和所提方法均有協(xié)作傳輸，節(jié)點數(shù)量增多意味著在最佳中繼的選擇上有更多候選者。且隨著節(jié)點數(shù)量的增多，網絡中節(jié)點密度增大，相應地前向通道內的協(xié)作節(jié)點的數(shù)量會增加，所提方法更有可能挑選出更有協(xié)作能力的節(jié)點進行轉發(fā)，故其性能更優(yōu)于RETP。

圖7 不同節(jié)點數(shù)量下各方法的數(shù)據(jù)包傳輸率比較

圖8給出了不同事件大小和不同速度時前向通道的節(jié)點數(shù)量。前向通道范圍為：以事件中心為起點，沿事件發(fā)展方向為中垂線的2re×d的矩形區(qū)域，其中d=v×Td。從圖8可知，隨著v,re不斷增大，前向通道范圍不斷擴大，候選協(xié)作節(jié)點數(shù)不斷增多。

圖8 本文方法在不同事件大小和不同速度大小下的前向通道節(jié)點總數(shù)比較

圖9比較了不同方法在不同事件大小和不同事件速度時的數(shù)據(jù)包傳輸率。從圖9可以看出，隨著re和v的增大，入選前向通道節(jié)點不斷增多，本文所提方法的數(shù)據(jù)包傳輸率明顯提升。而RETP方法中采用固定簇頭協(xié)作轉發(fā)，固定簇頭到目標節(jié)點的信道質量不一定最好，re增大使其數(shù)據(jù)包傳輸率有所增大，但增幅小于本文所提方法。RETP方法中沒有考慮不同事件速度v的影響，所以PDR保持不變。而EEAOC方法未采用協(xié)作傳輸，re和v均不能影響其數(shù)據(jù)包傳輸率，故其PDR一直最低且不變。

圖9 不同方法在不同事件大小和不同事件速度下的數(shù)據(jù)包傳輸率

5 實驗驗證

5.1 實驗平臺

為驗證所提方法的有效性，搭建了由15個傳感節(jié)點s i(i=1,2,···,15)和1個匯聚節(jié)點構成的無線傳感器網絡。各節(jié)點均采用TI公司的CC 2530無線收發(fā)模塊，工作在2.4 GHz頻段，無線數(shù)據(jù)收發(fā)遵循IEEE 802.15.4-2006/Zigbee標準。各傳感節(jié)點配備相應的傳感器，負責采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，需要時兼做中繼；匯聚節(jié)點負責接收和處理數(shù)據(jù)，并將處理結果經UART轉USB傳送至計算機進行顯示。無線數(shù)據(jù)收發(fā)時各節(jié)點傳輸速率為250 kB/s，發(fā)射功率為4.5 d Bm。

實驗場景為10 m×10 m 的室內實驗場所，各節(jié)點之間存在墻壁、桌椅、器材等多種障礙物，場景的布局和各節(jié)點的位置分別如圖10所示。實驗中采用移動火源來模擬事件的發(fā)生和移動，火源的移動速度為0.02 m/s，移動路徑如圖10中折線所示。各傳感節(jié)點通過檢測溫度判斷是否有事件發(fā)生，溫度閾值設置為45°(室溫16°)，小于45°表明無事件發(fā)生，否則有事件發(fā)生。設置Ts=1 h,Td=1 s。

圖10 實驗場景布局圖

5.2 測試結果及分析

以PDR為測試指標，實驗對比了本文所提方法與RETP,EEAOC方法的傳輸性能。實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。其中，每組每種方法下發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)為10000。

表1 測試結果

由表1可知，在各組測試中，EEAOC的PDR最低，RETP次之，本文所提方法具有最高的單次和平均數(shù)據(jù)包傳輸率。這是因為EEAOC只采用了直接傳輸，一旦直接傳輸失敗，則產生中斷。而本文方法和RETP均采用了協(xié)作傳輸，直接傳輸失敗時由其他節(jié)點協(xié)作轉發(fā)，故傳輸可靠性得到提升。RETP在協(xié)作節(jié)點的選擇上采用固定的多簇頭方式，如果這些簇頭到目標節(jié)點的信道質量較差，則協(xié)作轉發(fā)仍然會失敗。而本文在協(xié)作節(jié)點的選擇上采用競爭方式，在前向通道上選擇協(xié)作能力更強的節(jié)點為最佳中繼，進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，使得數(shù)據(jù)包傳輸率更高，從而獲得更好的傳輸性能。

6 結束語

本文提出一種基于事件驅動的動態(tài)分簇網絡的協(xié)作傳輸方案。根據(jù)運動事件的特征，定義了事件的大小、速度和方向，描述了事件簇的形成過程。并提出了基于前向通道的最佳中繼選擇方法，從處于事件移動方向上的更接近于事件中心和匯聚節(jié)點的區(qū)域中選擇最佳中繼，能更好地實施協(xié)作傳輸。仿真和實驗結果表明，相比于RETP和EEAOC方法，本文所提方法能提高數(shù)據(jù)包傳輸率，增強數(shù)據(jù)傳輸可靠性。