雙線軌道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略

孟建軍，馬軍惠，陳曉強(qiáng)，4，賈 辛，劉 瀟

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運(yùn)輸裝備行業(yè)技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730070；4.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)鐵路建設(shè)網(wǎng)的逐年增加,列車運(yùn)行環(huán)境愈加復(fù)雜多變,而鐵路沿線環(huán)境直接影響著列車行車是否安全。由于我國(guó)鐵路干線一般是鋪設(shè)雙線軌道,其行車?yán)锍虆^(qū)間設(shè)有兩條正線且運(yùn)輸量比單線軌道高出3倍,例如,全長(zhǎng)兩千多千米的青藏鐵路全程鋪設(shè)有單線軌道和雙線軌道,在格爾木至拉薩段鋪設(shè)的單線軌道長(zhǎng)約1 200 km,雙線軌道占全程線路的一半;同時(shí),格拉路段大部分處于海拔3～5 km的高原地區(qū),凍土綿延,列車運(yùn)行環(huán)境十分惡劣[1]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種重要的信息獲取手段,在鐵路沿線、煤礦內(nèi)部巷道、高速公路以及電網(wǎng)等長(zhǎng)距離帶狀環(huán)境監(jiān)測(cè)方面有著顯著優(yōu)勢(shì)[2-4],因此,可將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。另一方面,無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)能耗不均衡現(xiàn)象而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壽命減短[5],因此,如何均衡各區(qū)間的能量消耗以提高網(wǎng)絡(luò)壽命以及提高覆蓋率的同時(shí)降低部署成本是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署,文獻(xiàn)[6]考慮同一監(jiān)測(cè)環(huán)境下部署不同性能的傳感器節(jié)點(diǎn),以最小的部署成本為目標(biāo),構(gòu)建了多重覆蓋數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[7]在農(nóng)田無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景下,綜合比較了節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、正六邊形以及正四邊形部署下的剩余能量、平均延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)性能,但未考慮部署成本以及均勻能耗的問(wèn)題;文獻(xiàn)[8]提出了煤礦井下巷道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡的部署方法,將區(qū)域劃分成面積相等的簇并按比例分配節(jié)點(diǎn)數(shù)量,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命;文獻(xiàn)[9]提出了適合帶狀區(qū)域的高效利用能量的路由協(xié)議,較好地均衡了能量利用率,并得出了傳感器節(jié)點(diǎn)部署密度函數(shù);文獻(xiàn)[10]提出了一種節(jié)點(diǎn)分區(qū)域重點(diǎn)部署算法,在考慮能耗均衡的前提下用較少的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大化覆蓋,但該算法以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為前提,并不適用于無(wú)人值守的野外環(huán)境。

在雙線軌道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)部署方式分為隨機(jī)部署和固定部署[11-12],鐵路沿線需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾千米甚至十幾千米,隨機(jī)部署無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò)區(qū)域全覆蓋,造成網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)遺漏、多冗余等現(xiàn)象,因此本文采用固定部署方式;固定部署是將節(jié)點(diǎn)固定在劃分好的幾何區(qū)域頂點(diǎn)處,常用的分區(qū)方式有三角形分區(qū)、矩形分區(qū)等[13-14]。若采用文獻(xiàn)[15]的部署方式,單獨(dú)對(duì)每條軌道進(jìn)行三角形部署,此策略下雙線軌道所需傳感器數(shù)量是單線軌道的2倍,大大增加了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量;若采用三角形、矩形分區(qū),在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要進(jìn)行簇頭選舉,而采用六邊形分區(qū)可將簇頭(CH)節(jié)點(diǎn)置于中心點(diǎn)處,不需要消耗能量來(lái)選舉CH節(jié)點(diǎn)。

本文將雙線軌道劃分成面積相等的簇,摒棄傳統(tǒng)的CH選舉機(jī)制,將CH節(jié)點(diǎn)設(shè)于六邊形中心,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)能耗模型按比例計(jì)算CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量并分配至各簇,利用簇成員(CM)節(jié)點(diǎn)與CH節(jié)點(diǎn)的能耗關(guān)系計(jì)算簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù),并在六邊形內(nèi)按照多重覆蓋的方式部署不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn),對(duì)重復(fù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置休眠/喚醒機(jī)制,達(dá)到能量均衡的目的。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文以雙線軌道直線路段為具體應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)基于簇的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置如下參數(shù):簇的數(shù)目為n,節(jié)點(diǎn)包括CH節(jié)點(diǎn)、CM節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)sink節(jié)點(diǎn),sink節(jié)點(diǎn)設(shè)于整個(gè)待測(cè)區(qū)域的左側(cè),按離sink節(jié)點(diǎn)由近及遠(yuǎn)的順序?qū)⒋匾来斡洖閑1,e2,…,en,各簇的CH節(jié)點(diǎn)相應(yīng)定義為一級(jí)CH節(jié)點(diǎn),二級(jí)CH節(jié)點(diǎn),…,n級(jí)CH節(jié)點(diǎn),如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Network model

設(shè)置如下條件:

① 所有簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量E0相同,能量由電池供給;sink節(jié)點(diǎn)固定部署在雙線鐵路中心線一端,能量由外部供給,運(yùn)算能力強(qiáng)。

② 節(jié)點(diǎn)采用布爾感知模型[16-17],感知區(qū)域是以節(jié)點(diǎn)為圓心、感知半徑為r的圓,若感知目標(biāo)在節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi),感知事件概率為1,否則概率為0。

1.2 能耗模型

由于列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變且多為野外,無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境面臨無(wú)人值守的困境,一旦傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡,無(wú)法及時(shí)更換電池。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量消耗包括采集信息、數(shù)據(jù)融合處理以及數(shù)據(jù)傳送三方面,研究證明,數(shù)據(jù)傳送占主要能耗的90%[9],遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于節(jié)點(diǎn)采集信息與融合處理能耗,因此,為簡(jiǎn)化模型方便計(jì)算,忽略傳感器節(jié)點(diǎn)的采集信息與融合處理能耗,并采用文獻(xiàn)[13]的無(wú)線通信消耗模型。

(1)CM節(jié)點(diǎn)能耗模型

CM節(jié)點(diǎn)向CH節(jié)點(diǎn)發(fā)送lbit數(shù)據(jù)的能耗ETX為:

(1)

式中:Eelec為發(fā)射電路或接收電路處理單位bit數(shù)據(jù)的能耗,l為傳送的數(shù)據(jù)量,d為發(fā)送端與接收端的距離,其閾值為d0;εfs和εmp分別為自由空間模型和多路徑衰減模型下的數(shù)據(jù)傳輸能耗,d

(2)CH節(jié)點(diǎn)能耗模型

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的n級(jí)CH節(jié)點(diǎn),其能耗由接收信息能耗和發(fā)送信息至上級(jí)CH節(jié)點(diǎn)能耗組成,傳感器節(jié)點(diǎn)接收l(shuí)bit數(shù)據(jù)流量的能耗ERX為:

ERX(l)=lEelec,

(2)

因此,n級(jí)CH節(jié)點(diǎn)能耗En為:

(3)

其他CH節(jié)點(diǎn)能耗需要在n級(jí)CH節(jié)點(diǎn)能耗基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)包傳送能耗,因此,其他CH節(jié)點(diǎn)能耗Ei為:

(4)

式中:i=1,2,…,n。當(dāng)i=n時(shí),式(4)為n級(jí)CH節(jié)點(diǎn)能耗。

2 能量均衡的節(jié)點(diǎn)密度分析

2.1 CH節(jié)點(diǎn)密度分析

在雙線軌道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中,CH節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳路由方式將信息傳送到sink節(jié)點(diǎn),因此,越靠近sink節(jié)點(diǎn)的CH節(jié)點(diǎn)負(fù)載越多,能量耗盡越早;若每個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗不均勻。針對(duì)這一問(wèn)題需要依據(jù)每級(jí)CH節(jié)點(diǎn)的能耗情況確定其數(shù)量,以非均勻部署方式達(dá)到能量均衡的目的。

設(shè)整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部署的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N,i級(jí)CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量為Ni,則有:

(5)

i級(jí)CH節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎臑?

Ei=(n-i+1)(2lEelec+lεmpd4),

(6)

(7)

遞推得到:

(8)

由式(7)、式(8)聯(lián)合求得一級(jí)簇的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量:

(9)

進(jìn)一步得到i級(jí)簇的CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量:

(10)

2.2 CM節(jié)點(diǎn)密度分析

(11)

化解得:

(12)

3 節(jié)點(diǎn)部署策略

3.1 六邊形部署原理

將整個(gè)雙線軌道等效成二維帶狀區(qū)域,在保證雙線軌道監(jiān)測(cè)區(qū)域全覆蓋的前提下,將傳統(tǒng)分區(qū)方式所得分簇?cái)?shù)與本文提出的六邊形比較,如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)部署長(zhǎng)度D=800 m時(shí),矩形分簇?cái)?shù)目是六邊形分簇?cái)?shù)目的1.9倍,三角形分簇?cái)?shù)目是矩形分簇?cái)?shù)目的2.05倍,因此,六邊形分區(qū)在滿足三重覆蓋的前提下劃分的簇?cái)?shù)目比其他2種策略少,可節(jié)約大量節(jié)點(diǎn)。

圖2 不同軌道長(zhǎng)度下的分簇?cái)?shù)Fig.2 Number of clusters under different track lengths

圖3為本文提出的節(jié)點(diǎn)六邊形部署示意,如圖所示,將雙線軌道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成n個(gè)六邊形,根據(jù)上節(jié)方法計(jì)算所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量并依次部署在六邊形區(qū)域的各頂點(diǎn)處,其中,CH節(jié)點(diǎn)部署在六邊形的中心處,CM節(jié)點(diǎn)部署在六邊形頂點(diǎn)處,CM節(jié)點(diǎn)的感知區(qū)域恰好相交于CH節(jié)點(diǎn)位置處,保證CM節(jié)點(diǎn)信息被CH節(jié)點(diǎn)接收的同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域全覆蓋。

圖3 節(jié)點(diǎn)六邊形部署模型Fig.3 Node hexagon deployment model

3.2 最優(yōu)分簇方式

針對(duì)本文提出的網(wǎng)絡(luò)分簇方式,lbit的數(shù)據(jù)流量從n級(jí)CH節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳方式發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)時(shí)的簇間傳輸總能耗為:

(13)

(14)

圖4 六邊形分簇效果Fig.4 Effect picture of hexagonal clustering

根據(jù)最佳分簇方式,求出可劃分的六邊形數(shù):

(15)

3.3 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)調(diào)度

通過(guò)上節(jié)計(jì)算每級(jí)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不等,針對(duì)相同六邊形劃分的簇,每個(gè)簇內(nèi)同一時(shí)間的感知點(diǎn)數(shù)目相同,因此,本文采用節(jié)點(diǎn)多重覆蓋方式,已知需要部署的節(jié)點(diǎn)總數(shù),按式(10)、式(12)計(jì)算各級(jí)所需CM節(jié)點(diǎn)和CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量,重復(fù)的節(jié)點(diǎn)在感知點(diǎn)附近錯(cuò)位部署并逐一編號(hào),如圖5所示。節(jié)點(diǎn)工作采用休眠/喚醒機(jī)制,當(dāng)節(jié)點(diǎn)1處于工作狀態(tài)時(shí),其他重復(fù)節(jié)點(diǎn)為“休眠”狀態(tài),節(jié)點(diǎn)1能量低于其最低工作電量時(shí),喚醒重復(fù)節(jié)點(diǎn)2,按照此方式,直至所有重復(fù)節(jié)點(diǎn)能量耗盡;CM節(jié)點(diǎn)部署同樣依照上述多重覆蓋方式,并采用休眠/喚醒機(jī)制。

圖5 多重覆蓋節(jié)點(diǎn)部署模型Fig.5 Multi coverage node deployment mode

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 部署流程

根據(jù)雙線軌道的實(shí)際特性,設(shè)置其參數(shù)如表1所示,部署策略流程如下:

① 已知網(wǎng)絡(luò)部署長(zhǎng)度D、寬度y以及傳感器節(jié)點(diǎn)感知半徑r,對(duì)雙線軌道帶狀區(qū)域按照式(14)、式(15)所得分簇間距與分簇?cái)?shù)進(jìn)行均勻分區(qū);

② 已知傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量E0以及各網(wǎng)絡(luò)部署長(zhǎng)度下的CH節(jié)點(diǎn)總數(shù),根據(jù)式(10)計(jì)算各簇所需CH節(jié)點(diǎn)數(shù)并依次部署;

③ 已知各級(jí)CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量,由式(12)計(jì)算各簇所需CM節(jié)點(diǎn)數(shù)并依次部署;

④ 每級(jí)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)D3所示的六邊形部署策略進(jìn)行部署;

⑤ 多重覆蓋的區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)部署按照?qǐng)D5所示形式進(jìn)行放置。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文使用Matlab對(duì)提出的基于六邊形分簇的能耗均衡部署策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6是部署長(zhǎng)度為1 000 m時(shí)的網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間,可以看出,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行至285輪時(shí),3種部署策略下的網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)為0,從285輪開始,CH節(jié)點(diǎn)均勻部署策略下的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目開始增加;運(yùn)行至423輪時(shí),CH節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署策略下的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)開始增加,運(yùn)行至429輪時(shí),CH節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略下的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)逐漸增加,本文提出的節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間為1 238輪,較隨機(jī)部署和均勻部署策略分別延后了225輪和483輪。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在初始能量相同的情況下,本文提出的能耗均衡的節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,并且對(duì)于長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)部署具有良好的延伸性。

圖6 1 000 m部署長(zhǎng)度下的網(wǎng)絡(luò)生命周期Fig.6 Network life cycle under 1 000 m deployment length

圖7是3種部署策略在不同部署長(zhǎng)度下的網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間,可以看出,隨著部署長(zhǎng)度的增加,CH節(jié)點(diǎn)負(fù)載越重,網(wǎng)絡(luò)結(jié)束工作的時(shí)間越早;從整個(gè)曲線的分布來(lái)看,CH節(jié)點(diǎn)非均勻部署策略下的網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間高于其他2種策略,CH節(jié)點(diǎn)均勻部署時(shí)能量消耗更快。

剩余能量比是衡量網(wǎng)絡(luò)能量利用率的重要指標(biāo),如圖8所示,CH節(jié)點(diǎn)均勻部署時(shí)的剩余能量比顯著高于其他2種部署方法且變化趨勢(shì)更明顯,這是因?yàn)閭鞲芯W(wǎng)絡(luò)壽命取決于能耗最快的CH節(jié)點(diǎn)。隨著部署長(zhǎng)度的增加,在該網(wǎng)絡(luò)模型中距離sink節(jié)點(diǎn)最近的CH節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的數(shù)據(jù)量最多,能量消耗最快,剩余能量比就越高,此策略易提前結(jié)束網(wǎng)絡(luò)工作任務(wù),降低了網(wǎng)絡(luò)生命周期。本文提出的CH節(jié)點(diǎn)部署策略的剩余能量比相比其他2種策略更低,優(yōu)勢(shì)更明顯,各簇的能量利用更均衡。

圖8 不同部署長(zhǎng)度下的剩余能量比Fig.8 Residual energy ratio under different deployment lengths

簇首能耗比即CH節(jié)點(diǎn)消耗能量與總能耗的比值,圖9是網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間為400輪時(shí),簇首能耗比與分簇?cái)?shù)的關(guān)系,從圖中可以看出,在分簇?cái)?shù)相同的情況下,隨著部署長(zhǎng)度的增加,CH節(jié)點(diǎn)間距離增大導(dǎo)致能耗增多。仿真結(jié)果表明,部署長(zhǎng)度從600 m增加到1 600 m時(shí),最佳分簇?cái)?shù)為9、11、14、17、20和22。因此,在對(duì)雙線軌道進(jìn)行分簇處理時(shí),分簇?cái)?shù)取決于數(shù)據(jù)傳輸距離和傳送的數(shù)據(jù)量,分簇?cái)?shù)小于最優(yōu)分簇?cái)?shù)時(shí),CH節(jié)點(diǎn)分布較密,致使傳送數(shù)據(jù)量增加;分簇?cái)?shù)大于最優(yōu)分簇?cái)?shù)時(shí),CH節(jié)點(diǎn)間距離增大,能量消耗速度加快。

圖9 不同部署長(zhǎng)度下的簇首能耗比Fig.9 Cluster head energy consumption ratio under different deployment lengths

5 結(jié)論

本文提出基于六邊形分簇的能耗均衡部署策略,將雙線軌道劃分成面積相等的簇,將CH位置設(shè)于六邊形中心,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)能耗模型按比例計(jì)算CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量并分配至各簇,利用CM節(jié)點(diǎn)與CH節(jié)點(diǎn)的能耗關(guān)系計(jì)算CM節(jié)點(diǎn)數(shù);在六邊形內(nèi)按照多重覆蓋的方式部署不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn),對(duì)重復(fù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置休眠/喚醒機(jī)制,達(dá)到能量均衡的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的CH節(jié)點(diǎn)部署策略其剩余能量比相比其他2種策略更低,優(yōu)勢(shì)更明顯,各簇的能量利用更均衡,對(duì)于長(zhǎng)距離節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)部署具有很好的延伸性?；诖?下一步的工作重點(diǎn)是考慮雙線軌道多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)下的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部署策略,構(gòu)建更全面的網(wǎng)絡(luò)模型。