一種應用于機場廊橋監控網絡的路由算法*

林家泉， 程緒宇, 陳維興

(中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300)

一種應用于機場廊橋監控網絡的路由算法*

林家泉， 程緒宇, 陳維興

(中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300)

針對民航機場廊橋監控網絡在機場停機坪現場測試中暴露的網絡節點過早死亡、網絡生命周期短的問題，對該系統無線網絡架構中路由層算法進行優化，采用基于剩余能量和位置的改進LEACH算法，根據網絡環境的因素綜合考慮節點剩余能量、網絡平均剩余能量以及節點位置，分步選出最優簇頭，同時，采用能量估算方法確定網絡平均剩余能量，達到均衡網絡能耗且延長網絡生命周期的目的。最終利用Matlab軟件對民航機場廊橋監控管理系統建模仿真， 仿真結果表明:提出的算法比網絡原有路由層LEACH算法在均衡網絡能耗和提高網絡生命周期上均具有優越性。

民航設備； 無線傳感器網絡； 路由層； 最優簇頭； 能耗估算

0 引 言

目前，飛機在地面作業過程中利用橋載設備取代機載能源裝置獲得制冷空氣和電力已經在諸多航空公司采用[1]，但由于橋載設備不能及時檢測隔離自身故障或者橋載設備對某些工況參數不能實時檢測和有效控制，從而導致航空安全事故或者隱患，國內某些機場曾陸續發生過橋載電源燒毀飛機機載設備事件，造成了巨大的社會影響和經濟損失,可見，對橋載設備及其周邊環境的實時監控是非常重要的。基于物聯網的機場廊橋監控網絡用來對飛機客艙、飛機機身、機坪環境、橋載設備進行數據采集和實時監控，完成對橋載設備的數據統計分析、健康信息采集處理等要求，保證其安全使用具有重要意義。

但在監控網絡生存方面其依然存在一些亟待解決的問題，主要體現在無源網絡節點過早死亡，區域信息無法完全感知、網絡生命周期過短，本文將對此進行解決方法的研究、設計和驗證。

1 機場廊橋監控網絡

1.1 機場廊橋監控網絡

機場廊橋監控網絡[2]主要包括設備現場監控系統和管理中心系統，主要由無線感知層節點、現場數據集中器(基站)、服務器以及相關網絡設備(網關、交換機)集成。工作原理是：傳感器類節點采集橋載設備健康和工況數據、環境數據；每機位安裝一臺現場數據集中器，現場數據集中器將收集所有無線感知節點輸出的數據，在處理后經由停機位信息點(LAN接入點)和候機樓內網絡上傳至服務器，再由服務器根據監測數據進行處理和控制，從而實現對橋載設備運行工況和故障的實時監控，如圖1所示。

因為橋載設備工作在戶外，工作環境較為惡劣，民航安全性要求較高，對廊橋周邊設備進行數據采集的傳感器節點布置比較分散，且對飛機客艙、飛機機身以及遠機位廊橋的監控，采用有線方式將導致布設和維護成本與難度均較大，所以,采用無線方式。

圖1 機場廊橋監控物聯網結構Fig 1 Configuration diagram of airport lounge bridge monitoring network

1.2 網絡缺陷分析

在機場停機坪測試過程中，現場暴露了一些由于無線傳感器網絡(WSNs)造成的問題，主要體現在網絡能耗方面：

1)網絡節點過早死亡，區域信息無法完全感知。

2)網絡能耗大，網絡生命周期較短。

究其原因，一方面是機場廊橋監控網絡呈現的工作特點，橋載設備工作地點相對集中，無線節點分布不均勻;另一方面，LEACH協議[3]因為其較好的穩定性和較強的自組織能力被選作該網絡的路由協議，但LEACH協議本身也存在一些瑕疵：

1)簇頭選擇隨機性強，一些位置極其不適合成為簇頭節點的節點成為了簇頭，影響了網絡效率，增大能耗。

2)簇頭的選舉是等概率產生的，沒有考慮不同節點之間能量的差異,剩余能量低的節點若被選作簇頭，很容易導致能量耗盡而死亡。

針對以上問題，文獻[4]提出的改進算法 LEACH-C，引入剩余能量來競選簇頭，由節點告知基站自身位置和剩余能量信息，基站進行優化運算，再將結果廣播給網絡中的各個節點。但在這種算法中，網絡需要交互更多位置信息，能耗加大，同時導致時間延遲，節省的有用能耗通常不能抵消浪費能耗，算法還需進一步改善。文獻[5]引入上一輪節點剩余能量、簇平均能量、消耗能量三個參數重新改進LEACH 中閾值T(n)[3]，降低低能量節點當選簇頭的概率，進一步提高簇頭選擇的合理性。除了剩余能量外，距離信息的引入也可以使所形成的簇在簇內的通信代價進一步縮小。

綜合以上因素，本文提出了改進LEACH算法，通過引入節點剩余能量、網絡平均剩余能量以及節點位置信息，完善簇頭選取策略，均衡網絡能耗，避免個別節點過早死亡，并采用能量估算法方法估算網絡能耗，最終均衡網絡能耗且提高了網絡整體生命周期。

2 改進LEACH算法

2.1 算法描述

在本文提出的改進LEACH算法設計中，對于簇頭選擇，結合節點剩余能量、網絡剩余能量、節點幾何位置來確定。改進算法流程如圖2所示。

圖2 LEACH改進算法建簇階段流程Fig 2 Clustering stage process of improved LEACH algorithm

簇頭節點選擇的過程：

1)在無線傳感器節點連接前期，各節點以相同的功率和自己相鄰的節點進行通信，并告知自己的狀態、坐標位置信息。

2)根據閾值計算公式選出臨時簇頭，并將該信息通過廣播信道通知周圍的臨近節點。

3)各個傳感器節點計算自己當前剩余能量，并與估算得到的傳感器網絡平均剩余能量比較，推選出備選簇頭。

4)臨時簇頭計算出本簇的質心，并廣播給備選簇頭。

5)備選簇頭經過比較選出距離本簇質心距離最近的節點作為本簇的簇頭。

6)簇頭節點選擇后，簇頭向簇內成員廣播自己簇頭身份。

7)等待簇搭建完成，建立層次結構進行數據傳輸。

通過兩輪的比較和篩選，選擇出最優簇頭，此外，本文在穩定運行階段采取能耗估算方法獲得網絡平均剩余能耗，如圖3所示。

圖3 LEACH改進算法穩定運行階段流程Fig 3 Flow chart of improved LEACH algorithm in stable operation stage process

2.2 正式簇頭選擇

在選出的備用簇頭里面確定本簇的最終簇頭，需結合本簇質心進行選擇。將一個簇看做是由N個質點組成的質點系，m1，m2,…，mi,…,mn分別表示各質點的質量，代表各個節點傳輸的數據量。r1,r2,…,ri,…,rn分別表示各質點對某一坐標原點的位置矢量和傳感器節點到基站的位置矢量，則該簇質心位置矢量rc為

可見，在對學生英語語用能力培養的教學上，首先，量表可以對教學內容有一定的啟發作用。量表是面向實際使用來制定的，因此工科院校的英語語用能力的培養教學內容也應該集中于具體的語言活動，以活動為中心，在豐富的語言活動中讓學生體會到語言運用技巧，以達到培養學生英語綜合能力的目的。

(1)

利用位置矢量沿指教坐標軸的分量，可得到質心的坐標表達式

(2)

在選擇完剩余能量高于網絡平均剩余能量的節點后，比較這些節點與該簇質心的距離，距離最小的被視為正式簇頭。

結合剩余節點能量和簇內質心的方法選擇簇頭可以很好地解決能耗不夠均衡的問題，但通過傳統的廣播方式獲得網絡剩余能量會因為數據量過大造成能量消耗過大，得不償失，為此，本文提出的改進LEACH算法引入了能耗估算方法。

2.3 LEACH能耗估算方法

2.3.1 無線通信能量消耗模型[3]

研究低功耗的無線通信時，不同的通信特征和假設模型會很大程度地影響算法性能，本文采用經典的無線通信能量消耗模型，如圖4所示。

圖4 無線通信能量消耗模型Fig 4 Energy consumption model for wireless communication

(3)

節點接收kbits的數據消耗的能量為

ER(k)=k·Eelect.

(4)

其中，Eelect為1 bit數據在發射電路或接收電路中所消耗的能量。常數εfs和εmp與所采用的傳輸信道模型有關，εfs為自由空間傳輸，εmp為多路徑衰減傳輸。d為發射端到接收端的距離，聯立上述兩式可以計算出臨界距離

(5)

2.3.2 能耗估算方法

將機場廊橋及其周邊抽象成一個L×W×H的長方體空間，基站位于幾何中心，并在區域內部署n個無線傳感器節點。假設將整個網絡的節點分為m個簇，并完成分簇。在穩定運行階段，簇頭接收來自簇內成員發送的信息，經過數據融合后發送到基站，同時簇頭自身也有監測數據需要發送，假設每次傳輸的數據均為kbits，那么根據無線通信能量消耗模型一輪通信結束消耗簇頭節點的能量近似表示為

(6)

式中EDA為對kbits數據進行融合所消耗的能量，DA為數據經融合后所得數據量與數據融合前的數據量的比。

非簇頭節點的能耗為

(7)

在上式中，兩個距離dCH和dBS是計算能量的兩個核心參數，雖然可以通過網絡自己對距離進行測量，并互相通知來完成對整個網絡能量消耗的相對精確的計算，但簇頭節點每輪都在變換，通過廣播的方式進行距離數據采集網絡能耗很大，因此,可以通過估算兩個距離的期望值來代替準確值來節約能量，可通過以下方法估算

(8)

式中 (xB，yB,zB)為基站的坐標，基站位于空間幾何中心,則得出結果為

(9)

(10)

式中 (xC，yC，zC)為長方體簇幾何中心坐標，由此可計算

(11)

一個簇消耗的能量為

(12)

整個網絡一輪的能耗表示為

(13)

通過最終的網絡能量消耗公式任何一個節點都可以通過加減乘除四則運算估算出當前網絡平均剩余能量，這樣既減少了網絡整體的能量消耗，又滿足傳感器節點對計算的要求。

3 算法仿真驗證

根據系統現場情況建立Matlab仿真環境，將機場廊橋環境近似成為邊長為100 m的立方體，傳感器節點隨機分布在仿真空間內，如圖5所示。

圖5 傳感器節點分布圖Fig 5 Distribution diagram of sensor node

不考慮節點傳輸中的相互干擾和時間同步問題，MAC層采用802.15.4協議，主要仿真參數設置如表1。將兩種算法的仿真結果進行比較。

表1 仿真場景參數設定Tab 1 Parameter setting of scene simulation

在同樣參數條件下通過與LEACH和改進LEACH算法仿真結果進行比較，驗證其在提高網絡存活時間的可能性。圖6顯示了在同樣的仿真次數內，節點在LEACH算法和改進LEACH算法下的存活數比較，LEACH算法采用隨機生成簇頭，將導致簇頭分布不均勻，如果低能量節點作為簇頭，會直接導致該節點能耗加大，很快被消耗死亡，間接導致網絡不穩定。LEACH算法的首個死亡節點出現在800輪左右，而改進的LEACH算法則要滯后100輪，此外，相較于LEACH算法，改進算法的死亡節點數在數據傳輸前期慢于LEACH算法，在后期快于LEACH算法，因此，在均衡網絡能耗方面，改進算法更有優勢，其對改進節點的利用率高于LEACH算法，可以使網絡性能發揮到更佳的狀態。

圖6 節點存活狀況Fig 6 Survival condition of sensor nodes

能量消耗如圖7所示，通過結果對比可以看出:在網絡運行期間，改進算法的節點能量消耗速度低于LEACH算法，這說明改進算法可以利用有限的網絡資源，更大程度地保證網絡的整體性能，所以，通過剩余能量圖依然可以表明改進的LEACH算法優于LEACH算法。

圖7 節點剩余能量Fig 7 Residual energy of sensor nodes

4 結束語

本文針對機場廊橋監控管理系統現場測試中暴露的網絡節點過早死亡、區域信息無法完全感知、網絡生命周期短的問題，提出了改進LEACH算法，算法通過引入節點剩余能量信息，網絡平均剩余能量，并綜合考慮節點在簇內的位置，分步選舉出最優簇頭，此外，能耗估算方法的引入，進一步減少了網路能耗，最終解決了網絡能耗不均和網絡生命周期過短的問題。通過仿真驗證了本文提出的改進LEACH算法節點存活數和剩余能量的優勢，證明該算法可以利用有限的網絡資源，更大程度保證網絡的整體性能。

[1] 張積洪.積極推廣橋載設備提高節能減排效果[J].中國民用航空,2012(1):46-47.

[2] 陳維興,林家泉,張積洪.基于網絡的機場橋載設備能源管理系統設計[J].能源與節能,2014(5):128-130,136.

[3] 尚鳳軍.無線傳感器網絡通信協議[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 唐 勇,周明天,張 欣. 無線傳感器網絡路由協議研究進展[J]. 軟件學報,2006,17(3):410-421.

[5] 顧相平,孫彥景,錢建生.一種改進的無線傳感器網絡LEACH-ED算法[J].傳感技術學報,2008(10):1770-1774.

[6] 胡 鋼,謝冬梅,吳元忠.無線傳感器網絡路由協議LEACH的研究與改進[J].傳感技術學報,2007(6):1391-1396.

[7] 易秀雙,王興偉,劉小鋒,等.一種應用于工業無線網絡的多路徑節能路由算法[J].東北大學學報：自然科學版,2011(6):791-794.

[8] 江 賀,劉文杰,張憲超.無線傳感器網絡路由協議研究進展[J].小型微型計算機系統,2007(4):594-599.

A routing algorithm for airport lounge monitoring network*

LIN Jia-quan, CHENG Xu-yu, CHEN Wei-xing

(College of Aviation Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300，China)

Aimed at issues of network note premature death and short network life cycle exposed in civil aviation airport lounge bridge monitoring network for field testing at the airport an improved LEACH algorithm based on remaining energy and location is presented,consider nodes remaining energy average remaining energy of network and node location according to network environment factor,select the optimal cluster head in two steps,at the same time,use energy consumption estimation method to determine average remaining energy of network to balance network energy consumption can prolong lifetime of WSNs.Modeling and simulation on civil aviation airport lounge bridge monitoring management system by Matlab,results show that improved LEACH algorithm performs better than original routing layer LEACH algorithm in balance network energy consumption,prolong lifetime of WSNs.

civil aviation equipment; wireless sensor networks (WSNs); routing layer; the optimal cluster head; energy consumption estimation

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0137—04

2014—08—29

中央高校基本科研業務費中國民航大學專項項目(3122013C015)

TP 393

A

1000—9787(2014)12—0137—04

林家泉(1975-)，男，黑龍江鶴崗人，博士，副教授，主要研究方向為航空設備的在線檢測和智能控制。