The Research and Optimization of Data Gathering Protocol for Wireless Sensor Network

FENG Yachao，HE Kang，YANG Hongli*，QIU Zongyan，LIU Yuan

(1.Computer College，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2.Thomson Reuters，Beijing 100193，China; 3.Department of Information science，School of Mathematical Sciences，Peking University，Beijing 100871，China; 4.Xi’an Prepaid Meter Technology Co.，Ltd，Xi’an 710075，China)

The Research and Optimization of Data Gathering Protocol for Wireless Sensor Network

FENG Yachao1，HE Kang2，YANG Hongli1*，QIU Zongyan3，LIU Yuan4

(1.Computer College，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2.Thomson Reuters，Beijing 100193，China; 3.Department of Information science，School of Mathematical Sciences，Peking University，Beijing 100871，China; 4.Xi’an Prepaid Meter Technology Co.，Ltd，Xi’an 710075，China)

PEADG(Power Efficient Algorithm for Data Gathering)is a data collection protocol of the meter reading system based on Wireless Sensor Network(WSN).The network topology of PEADG protocol is composed of a set of trees.The root nodes balance the network load，and effectively extend the lifetime of the network.However，PEADG still exist some problems such as:does not consider the balance of the number of nodes on multi-trees.We focus on the problems existed in PEADG，and propose some improvements from three aspects:(1)balance the network load of multi-tree in the topology;(2)consider the residual energy of nodes;(3)collect network topology information by using base station.The simulation results by MATLAB tools show that the improved protocol extends the lifetime of the network.

WSN;data gathering protocol;PEADG;MATLAB simulating

隨著傳感器技術、嵌入式技術、無線通信技術、微電子技術等的發展，無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)得到了廣泛而深入的應用。WSN可以作為自動抄表系統AMRS(Automatic Meter Reading System)的底層通信網絡，極大地改善了傳統上門抄表的弊端。數據收集是AMRS的主要功能，用來收集表節點的數據。由于表節點一般由電池供電，因此需要設計能量高效的數據收集協議，以節省表節點能耗。

AMRS有自身的特點:①以地址為中心:為了統計每家每戶的消費數據，必須用地址來唯一區分節點。另外，AMRS中存在對單個節點進行操作的需求，如:收集單個節點的數據，控制單個節點等。②不存在數據聚合:AMRS中絕大多數情況下都是按照一戶一表的方式建立網絡，網絡中不存在冗余節點，每個節點的數據代表一戶的消費數據，這些數據在傳送過程中不存在數據聚合。因此需要數據收集協議能夠滿足AMRS的特點和應用需求，盡可能節約節點能量，最終延長網絡生存期［1］。

目前有很多對數據收集協議的研究工作，按采用的拓撲結構可以分為平面型數據收集協議和層次型數據收集協議。與平面型數據收集協議相比，層次型數據收集協議通過對網絡分簇，在簇首節點對數據進行預處理，因此能降低數據的冗余度，進而降低數據傳輸能耗，是當前的一個研究熱點［2-6］。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierachy)協議［7］是無線傳感器網絡中較早提出的基于簇的協議之一，其基本思想是:網絡中節點按照等概率的方法隨機循環地選擇簇首節點，從而將整個網絡的負載均衡地分配至每個傳感器節點，進而達到降低網絡能耗和延長網絡生存期的目的。PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)協議是在LEACH協議基礎上提出的一種數據收集協議［3］。在PEGASIS協議中，采集到的數據以點對點的方式傳遞、融合，并最終被送到Sink節點。TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協議屬于事件驅動型協議［8］。在TEEN中定義了軟、硬兩個門限，節點以此確定是否需要發送數據。HEED(Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering)協議是LEACH協議的一個改進協議［9］，在HEED協議中，簇首選擇主要考慮剩余能量和簇內通信代價兩個參數。EADAT［10］是一種基于能量感知的啟發式樹生成算法，通過讓剩余能量多的節點有更多機會成為非葉子節點來均衡網絡的負載，從而延長網絡的壽命。

針對遠程抄表系統的特點，研究人員提出了幾種數據收集協議:EMDA(Energy-Efficient Meter Data Aggregation Protocol)［11］認為最短路徑樹SPT(Shortest Path Tree)是基于WSN的抄表系統最優的網絡拓撲結構，它將網絡建立為以匯聚節點為根的SPT，但它對AMRS的要求很多，如:匯聚節點必須知道網絡中每個節點的精確物理位置、所有節點的時間必須同步等。相比之下，PEADG(Power Efficient Algorithm for Data Gathering)［12］提出的遠程抄表系統數據收集協議對AMRS的要求很少，它借鑒PEDAP協議［13］的想法，以提高表結點的能量利用率。相比LEACH協議，PEADG通過在物理層使用CDMA/ CA，減少了數據的碰撞，不同于LEACH協議的數據聚合，PEADG強調了抄表系統中不需要數據融合的特點。PEADG屬于層級協議，具有層級協議共有的可擴展性、自適應性和高能效特點，能較好滿足ARMS的特點和應用需求。

盡管PEADG協議作為ARMS數據收集協議具有諸多優點，但該協議仍然存在一些需要改進的地方，例如:沒有考慮多棵樹上節點個數的平衡，在選擇節點時只考慮了RSSI(Receive Signal Strength Indicator)通信強度，這樣很容易出現父節點過早死亡，但其子節點剩余能量依然充足的情況。我們以前的工作［14-15］研究了PEADG協議的建模與分析，通過建模拓撲結構中第1層節點(根節點)、中間節點以及葉子節點的概率自動機模型，利用概率模型檢查器PRISM［16］計算數據收集輪數以及成功收集概率等。本文在已有的對PEADG協議建模與分析工作基礎上，進一步研究了PEADG協議的優化問題，并使用MATLAB工具［17］進行了仿真實驗，對改進后的協議性能進行了細致的分析，仿真結果表明改進后的協議有效延長了網絡生命期。

本文第1部分介紹PEADG協議的拓撲建立過程和數據收集過程;第2部分提出對PEADG協議的優化方法等;第3部分對優化后的PEADG協議進行仿真并分析結果;第4部分是結論和進一步的工作。

1 PEADG協議介紹

PEADG［12］協議是基于WSN的抄表系統數據收集協議，用于收集AMRS中所有節點的數據，它改進了數據收集協議PEDAP［13］，把網絡組織為由多棵樹構成的網絡拓撲結構，多棵樹分擔了網絡負載，有效延長了網絡生命期。下面從協議的能好模型，建模過程介紹PEADG協議。

1.1 無線通信的能耗模型

對于無線通信的能耗假設主要包括接收和發送。在實驗環境中，本文假設，從A到B發送數據所消耗的能量與從B到A消耗的能量相同。下面是節點在發送的時候，處理單個比特數據消耗的能量、兩個節點之間的距離以及發送單個比特數據時功率放大器的能量之間的關系。

在式(1)和式(2)中，ETX表示節點發送數據的能耗，ERX表示節點接收數據的能耗。k是一個數據包的比特數，Eelec是節點處理單個比特(bit)數據的能耗，d是兩個可直接通信節點間的最大距離，Eamp是節點發送單個比特數據時功率放大器的能耗。

1.2 拓撲結構建立過程

PEADG的拓撲建立過程包括3個步驟:

(1)基站計算需要的第1層節點個數。拓撲結構中每棵樹的根節點稱為第1層節點，其個數就是拓撲結構中樹的個數。基站用下面公式確定網絡中第1層節點的個數:

在式(3)和(4)中，Nmax是每棵樹最多可包含的節點個數(不包括第1層節點)，Ep是節點的初始能量，Rd是定義的數據收集輪數。式(3)表示第1層節點在一定的初始能量Ep下，為了完成預定義的數據收集輪數Rd，在以它為根的樹中最多可以有Nmax個節點。為了求得Nmax，對式(3)變形得到式(4)。式(5)中，NT表示網絡中節點的個數，該式中求得的Nr表示網絡中需要的第1層節點個數，即拓撲結構中樹的個數。

(2)第1層節點選擇。基站通過逐漸擴大通訊范圍設法找到足夠的第1層節點，具體的過程是:首先用最小的通信功率(通信范圍最小)廣播數據包來尋找第1層節點，所有收到該數據包的節點回復基站，基站判斷回復消息的節點的數目是否等于或大于所需要的第1層節點，若是，則基站發送數據包設置這些節點成為第1層節點，若不夠則增大通信功率，在更大的通信范圍內廣播SelRoot數據包，一直持續到基站找到足夠的第1層節點或者已經達到最大的通信功率為止，后一種情況下，基站有可能沒有找到足夠的第1層節點，則它把所有找到的節點作為第1層節點。

(3)樹的建立。拓撲結構中多棵樹的建立過程相同，所以，這里以一棵樹的建立過程為例來介紹樹的建立過程。建立過程中每個節點都會處于以下4個狀態之一:①Root狀態:網絡中作為第1層節點的節點處于這個狀態;②Head狀態:一個正在選擇它的孩子節點的節點處于這個狀態，當它找到孩子節點并記錄后，狀態變為其他3種狀態之一;③Parent狀態:這個狀態的節點是已加入樹中的非葉子節點;④Child狀態:已加入樹中的葉子節點處于這個狀態。

初始時，所有節點的狀態都為Child狀態，基站選擇了第1層節點后，這些節點變為Root狀態，然后開始樹的建立，基站命令各個第1層節點依次建立拓撲樹。拓撲樹的建立過程類似樹的深度優先遍歷，具體的過程是:處于Root狀態的第1層節點收到基站發送的拓撲結構建立命令后將狀態變為Head狀態，并廣播setup消息，所有在其通信范圍內(固定的通信功率)且處于Child狀態的節點回復reply消息:如果第1層節點在一段時間內未收到任何reply消息，則它變為Root狀態并向基站發送end消息;如果第1層節點收到多個reply消息，則它比較多個reply消息的通信信號強度RSSI，選擇RSSI最強的節點作為孩子，把該孩子節點的信息添加到路由表中，把自己的狀態修改為Root，并向該孩子節點發送set parent消息。該孩子節點收到set parent消息后，在路由表中添加父節點信息，將自己的狀態修改為Head，并開始尋找自己的孩子節點:如果找到，則將自己的狀態修改為Parent，記錄自己孩子節點的信息并向其發送set parent消息;如果未找到，則將自己的狀態修改為Child，并向自己的父節點發送end消息。如果某節點收到一個end消息，則再次將自己修改為Head狀態，繼續尋找可能的其他孩子節點;如果沒有收到其他節點發送的end消息就結束。整個傳輸網絡的建立過程最多進行到樹中加入了Nmax個節點(不包括first-level節點)，當最后一個加入的節點將自己的狀態設置為Child，并向其父節點發送end消息，這一傳輸將一直返回到相應的樹根結點。

一棵樹的建立過程在其第1層節點向基站發送了end消息后結束，整個網絡拓撲結構的建立過程在所有第1層節點都向基站發送了end消息后結束。另外，網絡運行的任意時刻，基站可發送拓撲結構重建命令來重新建立網絡拓撲結構，重建過程與建立過程相同。重復建立網絡的作用是可以發現新加入網絡中的節點，以及剔除網絡中的死亡節點。

網絡拓撲結構建立完成后，就可在其上進行數據收集。基站每發送一個數據收集命令gathering，網絡中所有節點的數據被收集一次，這稱為一輪數據收集。一個網絡拓撲結構可進行的數據收集輪數的定義是:直至網絡中出現第1個由于能量耗盡而失效的節點時，已經進行的數據收集輪數。一個網絡可進行的數據收集輪數越多，其生命期越長。

圖1中給出了一個由PEADG協議生成的網絡拓撲結構。其中的三角形表示基站(BS)，圓形表示節點，圓形內的大寫字母代表節點的全局唯一地址。節點間的連線表示它們間的雙向通信路徑。這個拓撲結構由二棵樹構成，這二棵樹的根節點分別是節點B和節點D，只有它們和基站直接通信。

圖1 一個由PEADG協議生成的拓撲結構

1.3 PEADG協議存在的問題

PEADG協議建立的是由多棵樹構成的網絡拓撲結構，可以根據預定義的數據收集輪數決定拓撲結構中樹的個數。在對協議的分析和仿真結果中發現在網絡生命期結束的時候，有些根結點的能量還剩余很多，足以繼續抄表。在對節點的剩余能量分析后，發現節點的能量分布極不均勻。總結起來，它主要存在下面幾個問題:

(1)沒有考慮拓撲結構中多棵樹的網絡負載平衡。PEADG協議建立的拓撲結構中有多棵樹，每棵樹最多可包含的節點個數是Nmax，而由式(4)和式(5)可知，在建立的一些拓撲結構中，最后一個建立的樹中包含的節點個數不足Nmax。PEADG協議沒有把網絡負載平均到多棵樹上。這樣就會出現最后一棵樹的節點個數很少，但是其他節點的負載過高，能量消耗盡的時候，最后一個棵樹的根結點剩余能量很高。因此平衡多棵樹的節點的個數，可以有效地延長網絡的生命期。

(2)沒有考慮節點的剩余能量。PEADG協議在拓撲結構建立和重建過程中選擇孩子節點時，只考慮了節點間的RSSI，沒考慮備選孩子節點的剩余能量，導致RSSI較強的通信路徑上的節點因頻繁使用而過早死亡，而其他路徑上的節點仍有較多的剩余能量。它沒有平衡的使用網絡中節點的能量。因此在選擇子節點或者根結點的時候要選擇剩余能量最多的節點。

(3)基站沒有收集網絡拓撲信息。PEADG協議的拓撲結構建立過程中，基站沒有收集任何網絡拓撲信息，所以，它無法獲知當前拓撲結構中有哪些節點，也無法估算拓撲結構中節點的能量消耗。

2 PEADG協議優化

2.1 優化方法概述

針對PEADG協議存在的一些問題，這部分介紹本文提出的對PEADG協議的優化方法。

(1)平衡拓撲結構中多棵樹的網絡負載。為了平衡多棵樹的網絡負載，定義了N'max:使用式(5)求得Nr后，再使用式(6)計算N'max，它將代替Nmax，用來表示拓撲結構中每棵樹最多可包含的節點個數。

(2)增加對節點剩余能量的考慮。在拓撲結構建立和重建過程中選擇孩子節點時，增加對備選孩子節點剩余能量的考慮。

(3)基站收集網絡拓撲信息。在PEADG協議的拓撲結構建立過程中，收集網絡拓撲信息。一棵樹建立完成時，基站就已經收集了它的拓撲信息，整個網絡的拓撲結構建立完成時，基站便有了整個網絡的拓撲信息。

2.2 加權函數設計

加權函數是將影響網絡生命期的各個因素量化，根據不同的需求對每一個因素綜合考慮。根據3.1節提出的優化方面，我們定義加權函數時考慮了備選孩子節點的剩余能量等信息(這些信息可在建立拓撲結構時節點間的通信過程中獲得)。下面是定義的加權函數:

式(7)中，rEnergyj表示備選孩子節點j的剩余能量，Eji表示節點j給節點i發送一個數據包的能量消耗，desc表示拓撲結構中正在建立的這棵樹上還可包含的節點個數，它由N'max減去已加入這棵樹中的節點個數得到，并由節點i發送給備選孩子節點j，V表示節點集合，Adj(i)表示節點i的相鄰節點集合。

該式表示:節點i將選擇給自己發送desc個數據包后，剩余能量仍最多的備選孩子節點作為孩子。通過定義加權函數，PEADG協議在拓撲結構建立和拓撲結構重建過程中，就可以使用加權函數選擇孩子節點。

2.3 基于加權函數的拓撲結構建立過程

優化后的PEADG協議對AMRS的假設以及數據收集過程都與原有的PEADG協議相同，本小節主要針對優化前后的拓撲結構建立過程進行了對比:①計算第1層節點個數。計算方法與PEADG協議完全相同。②選擇第1層節點。與PEADG協議的這個過程類似，不同之處在于:選擇過程中，使用的不是RSSI，而是加權函數(見3.2節的定義);選擇過程結束后，使用式(6)求出N'max，而且，若實際找到的第1層節點個數(Nfind)小于Nr，則該式中的Nr使用Nfind。③建立樹。該過程與PEADG協議的這個過程類似，不同之處是:在拓撲結構建立過程中，選擇孩子節點時使用的是加權函數;拓撲結構建立完成時，基站就有了網絡的拓撲信息，拓撲信息收集過程是:當拓撲結構建立過程進行到葉子節點時，葉子節點向父節點返回的end消息中包含拓撲信息，父節點再向自己的父節點返回end消息時，也包含了節點間的拓撲信息，這些信息使用樹的孩子兄弟表示法表示。葉子節點返回的end消息的格式如表1所示。

表1 end消息的格式

該消息由4個數據域組成，葉子節點(假設為節點L)向父節點返回end消息時，第1個域的值設置為空(葉子節點沒有孩子)，節點ID域為節點L的全局唯一的地址。其他兩個數據域留空。父節點收到該end消息后，根據RSSI計算并填充消息中的距離d域［18］，并繼續拓撲結構建立過程:若找到第2個孩子節點并收到其返回的end消息(可能包含多個節點的拓撲信息，可參見圖1)，則把節點L的拓撲信息和返回的end消息結合到一起，如:結合后的拓撲信息中，節點L的第1個兄弟域的值為第2個孩子節點的ID。然后，父節點繼續拓撲結構建立過程和拓撲信息結合過程，直到找不到孩子節點時，父節點向自己的父節點返回以自己為根的拓撲信息，整個拓撲信息收集過程與拓撲結構建立過程同時結束。

以圖1中拓撲結構為例，在其建立過程中，節點Q向其父節點返回的end消息如圖2所示。

圖2 節點Q返回的end消息

分析該消息可知:節點Q有兩個孩子節點，即節點P和節點U，節點U是節點P的第1個兄弟;節點P沒有孩子，是葉子節點;節點U有一個孩子節點V;節點Q的距離d域、第1個兄弟域還未計算，將由其父節點計算。

使用同樣的方法，基站便可收集到整個網絡的拓撲信息，包括:拓撲結構中節點的ID、節點間的位置關系、有父子關系的節點間的距離(由RSSI估算)等。

3 MATLAB仿真實驗

本節使用MATLAB工具［17］對改進前后的PEADG協議做了仿真實驗，表2給出了MATLAB仿真實驗的參數。實際場景中存在個別中間節點能量消耗較大或者失效，導致不能構建完整的拓撲結構的問題(加入拓撲的節點數少于總節點數的一個閥值，如少于90%)，所以，實際的抄表輪數也可能小于仿真結果。另外，實際節點部署區域不一定是正方形區域。最后，實際基站有可能不是部署在區域的中央。

圖3給出了MATLAB實驗的仿真結果:圖中x軸表示拓撲結構的重建頻率(單位是輪數，即每x輪重建一次拓撲結構)，y軸是使用數據收集輪數表示的網絡生命期，網絡規模是100個節點。

表2 MATLAB仿真實驗參數

圖3 不同拓撲重建頻率下優化前(PEADG-1)與優化后協議(PEADG-2)的輪數比較

從圖3可以看出，①采用不同的拓撲結構的重建頻率后，PEADG-1和PEADG-2協議的數據收集輪數都大于預定義的60輪;②由于采用了加權函數選擇孩子節點，在相同拓撲重建頻率下，改進后的PEADG-2協議的數據收集輪數是改進前的PEADG-1協議的2倍左右，大大延長了網絡生命期。

4 總結

本文針對PEADG協議存在的問題:沒有考慮拓撲結構中多棵樹的網絡負載平衡、沒有及時的重建網絡、沒有考慮節點剩余能量、基站沒有收集網絡的拓撲信息等，提出了對PEADG協議的優化方法，并詳細的介紹了優化后的PEADG協議在選擇孩子節點時使用加權函數，并進行了MATLAB仿真實驗，實驗表明改進后的協議在相同網絡重建頻率下比改進前協議的網絡生命期延長了1倍左右。

進一步的研究工作有:①設計可靠的PEADG協議。PEADG協議未考慮數據收集過程中數據傳輸的可靠性，也沒有考慮數據收集的通信路徑失效后的自動愈合等。所以，下一步的研究中，可為PEADG協議增加可靠性的考慮。②增加收集單個節點數據的功能。PEADG協議解決了收集網絡中所有節點數據的問題，而在有的AMRS中，還需收集網絡中單個節點的數據，所以，可為PEADG協議增加收集單個節點數據的功能。

致謝

感謝西安普瑞米特科技有限公司的翟建華工程師、王鑫宇工程師等，你們給予的幫助和支持讓作者對本文中的研究內容有了更深入的認識和理解。

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一種無線傳感器網絡數據收集協議的研究與優化

馮亞超1，賀康2，楊紅麗1*，裘宗燕3，劉淵4
(1.北京工業大學計算機學院，北京100124;2.Thomson Reuters，北京100193; 3.北京大學數學學院信息科學系，北京100871;4.西安普瑞米特科技有限公司，西安710075)

PEADG(Power Efficient Algorithm for Data Gathering)協議是基于WSN的抄表系統數據收集協議，PEADG協議建立的網絡拓撲結構由多棵樹組成，樹根節點分擔了網絡負載，較好地延長了網絡生命期，但PEADG協議仍然存在一些問題，如:沒有考慮多棵樹上節點個數的平衡等。針對協議中存在的問題，提出了三方面的改進:①平衡了拓撲結構中多棵樹的網絡負載;②增加了對節點剩余能量的考慮;③利用基站收集了網絡拓撲信息。利用MATLAB工具對改進后的協議進行了仿真，結果表明改進后的協議延長了網絡的生命期。

無線傳感器網絡(WSN);數據收集協議;PEADG協議;MATLAB仿真

TP393

A

1004－1699(2014)03－0355－06

2013-11-07修改日期:2014-02-27

C:6150P;7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.016