無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)二級(jí)分簇線(xiàn)形路由協(xié)議研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡　玫　王永喜　劉保錄

(蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)二級(jí)分簇線(xiàn)形路由協(xié)議研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡玫王永喜劉保錄

(蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

摘要：針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)能量消耗大、能耗不均衡的缺點(diǎn)，構(gòu)建了分布式的二級(jí)分簇線(xiàn)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)議改進(jìn)了隨機(jī)放置節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)方式。灌溉子網(wǎng)根據(jù)剩余能量的大小確定二級(jí)簇首，未承擔(dān)二級(jí)簇首的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，灌溉子網(wǎng)中未承擔(dān)二級(jí)簇首的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，并根據(jù)剩余能量的大小確定二級(jí)簇首；簇內(nèi)采用單跳的通信方式，簇間采用單跳與多跳相結(jié)合的通信方式。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，分布式的二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議在節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率方面明顯優(yōu)于自組網(wǎng)方式。

蘭州市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012-2-15);

甘肅省教育廳基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013B-091)。

修改稿收到日期：2014-07-27。

第一作者胡玫(1982-)，女，2009年畢業(yè)于西北師范大學(xué)電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師，主要從事無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制的研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)二級(jí)分簇等概率競(jìng)爭(zhēng)剩余能量

Abstract：Aiming at the defects of the nodes in WSN ad hoc topologic structure, e.g., high energy consumption and uneven energy consumption, the distributed two-level linear clustering topologic structure and relevant protocol are proposed. The protocol improves the ad hoc mode in which the nodes are placed in random. In irrigation sub-network, the head of two-level clustering is determined in accordance with the residual energy, the cluster nodes that not being the cluster head are competing based on equal probability. The single hop communication mode is used within cluster; the combination of both multiple hop and single hop modes is used between or among clusters. The results of simulation show that the distributed two-level linear protocol is better than ad hoc network in node survival time and successful transmit rate of data packets.

Keywords：Wireless sensor network(WSN)Ad hoc networkSecondaryClusterCompete with equivalent possibilityThe rest energy

0引言

河西走廊地處我國(guó)西北部，屬于典型的干旱荒漠環(huán)境，具有“非灌不殖”、“地盡水耕”的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)是該區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是該區(qū)的耗水大戶(hù)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，河西走廊農(nóng)業(yè)用水日趨緊張。由于該地區(qū)的農(nóng)田綠洲被大片戈壁、荒漠隔斷，呈不連續(xù)、帶條狀分布[1]，因此，需利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大區(qū)域、復(fù)雜惡劣環(huán)境下農(nóng)業(yè)大田的相關(guān)信息的準(zhǔn)確、全天候、不間斷的無(wú)線(xiàn)采集。

降低傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應(yīng)用中首先要解決的問(wèn)題之一[2-3]。目前，普遍認(rèn)為采用高效路由算法可以提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率[4]。而典型的高效算法，如LEACH、TEEN、HEED[5-6]等并沒(méi)有結(jié)合應(yīng)用對(duì)象的特點(diǎn)，無(wú)法解決一些具體問(wèn)題。因此，本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以河西走廊農(nóng)業(yè)大田為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)干旱荒漠環(huán)境下帶條狀農(nóng)田的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)路由協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)改進(jìn)農(nóng)田中隨機(jī)放置節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)方式，構(gòu)建了分布式的二級(jí)分簇線(xiàn)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。子網(wǎng)拓?fù)渲形闯袚?dān)二級(jí)簇首的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，并根據(jù)剩余能量的大小確定二級(jí)簇首，較好地解決了網(wǎng)絡(luò)能量受限的問(wèn)題。

1自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由于我國(guó)農(nóng)田本身具有面積廣大、地形多樣、所處環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，因此農(nóng)田灌溉中的傳感器節(jié)點(diǎn)多是大規(guī)模的隨機(jī)放置，沒(méi)有規(guī)律可循。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集自身覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)。

由圖1可以看出，自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題。

① 由于農(nóng)田中的節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)放置，很可能在某一區(qū)域多次重復(fù)放置節(jié)點(diǎn)或沒(méi)有放置節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致路由節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)冗余率高或者缺少相關(guān)地塊的信息。

② 網(wǎng)絡(luò)中大量的終端節(jié)點(diǎn)均采集本地信息，然后轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)，因此在某時(shí)刻路由節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收大量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量下降。

③ 終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中心節(jié)點(diǎn)。由于該協(xié)議是一種靜態(tài)路由協(xié)議，它的路由節(jié)點(diǎn)確定不變，那么路由節(jié)點(diǎn)從始至終都要承擔(dān)給中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)的任務(wù)。如果路由節(jié)點(diǎn)附近的終端節(jié)點(diǎn)因隨機(jī)放置而數(shù)目過(guò)多，則路由節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量過(guò)早耗盡而導(dǎo)致該區(qū)域的通信中斷。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)考察分析河西走廊的農(nóng)田環(huán)境、地形及實(shí)際的灌溉基礎(chǔ)設(shè)施, 同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，將整個(gè)灌溉區(qū)域劃分為一個(gè)二級(jí)分布式體系結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)灌溉子網(wǎng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或者有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò))以及控制中心構(gòu)成[7]。

在我國(guó)政府的大力扶持下，河西走廊的農(nóng)田現(xiàn)已大面積使用滴灌的方式進(jìn)行灌溉。滴灌系統(tǒng)由泵站、控制閥門(mén)以及灌溉干管、支管和滴管等三級(jí)管道組成[8]。結(jié)合河西走廊農(nóng)業(yè)大田帶條狀分布的地形特點(diǎn)，將灌溉大田均勻劃分成寬為Z、長(zhǎng)為L(zhǎng)的地塊(灌溉子網(wǎng))。每個(gè)帶條狀的地塊中都線(xiàn)形放置N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和微型電磁閥，每個(gè)電磁閥可以控制該支管上的滴管延伸到的區(qū)域的灌溉。灌溉子網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　灌溉子網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

灌溉子網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)分布式的二級(jí)分簇線(xiàn)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。灌溉子網(wǎng)中線(xiàn)形放置的終端節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，并根據(jù)剩余能量的大小確定二級(jí)簇首，如圖3所示。簇內(nèi)采用單跳的通信方式, 簇間采用單跳、多跳結(jié)合的通信方式。

圖3　子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1　簇內(nèi)算法設(shè)計(jì)

3.2　簇間算法設(shè)計(jì)

簇間路由是指二級(jí)簇首通過(guò)單跳或者多跳到達(dá)一級(jí)簇首的路徑。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)需要同時(shí)支持二級(jí)簇首到一級(jí)簇首的數(shù)據(jù)匯聚和一級(jí)簇首到終端節(jié)點(diǎn)的控制命令的傳達(dá)兩種方向的數(shù)據(jù)流。因此，一級(jí)簇首消耗的能量很大。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中簇外的通信能量消耗與通信距離的平方成正比[9]，因此結(jié)合河西走廊農(nóng)業(yè)大田具有帶條狀分布的地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)二級(jí)簇首通過(guò)單跳或多跳與一級(jí)簇首進(jìn)行通信。如果二級(jí)簇首距離離一級(jí)簇首近，直接采用單跳與一級(jí)簇首通信；但是如果距離很遠(yuǎn)，那么采用二級(jí)簇首之間的多跳方式進(jìn)行通信，然后再與一級(jí)簇首單跳通信。這樣就保證了一級(jí)簇首不會(huì)出現(xiàn)能量過(guò)低導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信中斷的情況發(fā)生，有效延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，提高了數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率。

簇間數(shù)據(jù)通信時(shí)利用數(shù)據(jù)融合的方法降低一級(jí)簇首接收數(shù)據(jù)的冗余度。數(shù)據(jù)聚合的方式為NnK→K，Nn表示無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中全部終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，K表示傳送的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)融合方法大大減少了一級(jí)簇首接收的信息量，提高了能量的利用率。

由于存在無(wú)線(xiàn)信道的干涉現(xiàn)象，簇內(nèi)簇首產(chǎn)生后，如果它們之間的距離小于簇半徑，就會(huì)產(chǎn)生簇間干擾。二級(jí)簇首之間的距離越近，那么簇間的干擾就會(huì)越強(qiáng)，甚至可能造成消息重傳，導(dǎo)致額外的能量開(kāi)銷(xiāo)[10-12]。因此，設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議中每個(gè)灌溉子網(wǎng)面積時(shí)，要綜合考慮簇外通信能量消耗與通信距離的關(guān)系和簇間通信覆蓋區(qū)域交疊存在通信干擾這兩個(gè)問(wèn)題。

4應(yīng)用模型與仿真結(jié)果

4.1　應(yīng)用模型設(shè)計(jì)

NS2軟件仿真使用的應(yīng)用模型是一個(gè)長(zhǎng)為1 000m、寬為500m的帶條狀區(qū)域A，一級(jí)簇首位于該區(qū)域的幾何中心，坐標(biāo)為(500，250)，應(yīng)用模型如圖4所示。

圖4　應(yīng)用模型圖

將A平均分成12個(gè)面積相等的灌溉子網(wǎng)，每個(gè)灌溉子網(wǎng)中線(xiàn)形放置5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息全部已知，節(jié)點(diǎn)初始能量均為2 J，數(shù)據(jù)包大小為525 B。

如果第一個(gè)灌溉子網(wǎng)中的終端節(jié)點(diǎn)1采集到一幀信息，那么經(jīng)過(guò)終端節(jié)點(diǎn)2，它以直線(xiàn)單跳的形式把信息傳送給二級(jí)簇首3，最后該簇首以多跳的形式與基站完成通信。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在該灌溉子網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)4又采集到一幀新的信息，未承擔(dān)過(guò)二級(jí)簇首任務(wù)的終端節(jié)點(diǎn)1、2和5各有1/3的概率成為該簇的新簇首，最終根據(jù)它們剩余能量的大小來(lái)確定簇首，完成與一級(jí)簇首之間的通信。

4.2　仿真結(jié)果

利用NS2軟件分別對(duì)自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議進(jìn)行仿真。節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)與網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間關(guān)系如圖5所示。

圖5　節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)與網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間關(guān)系圖

由圖5可以看出，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作的時(shí)間中，與自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)目明顯減少。由于協(xié)議采用簇內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，剩余能量大者為二級(jí)簇首的方法，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的均衡性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。

數(shù)據(jù)包括包發(fā)送成功率曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率

由圖6可以看出，二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率高于自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間大于2 500 s后自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率急劇下降，而二級(jí)

分簇線(xiàn)形協(xié)議曲線(xiàn)變化并不顯著。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)聚合以及二級(jí)簇首的產(chǎn)生逐漸體現(xiàn)在控制數(shù)據(jù)發(fā)送成功率上。

5結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合河西走廊地形環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議。協(xié)議采用簇內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)等概率競(jìng)爭(zhēng)，剩余能量大者為二級(jí)簇首的方法，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的均衡性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。試驗(yàn)結(jié)果表明，分布式的二級(jí)分簇線(xiàn)形協(xié)議在節(jié)點(diǎn)生存壽命和數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率性能上明顯優(yōu)于自組網(wǎng)方式。因此，該協(xié)議可以廣泛應(yīng)用在與河西走廊地形環(huán)境特點(diǎn)類(lèi)似的復(fù)雜惡劣的大區(qū)域中。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501017