基于動態聚簇結構的無線傳感網絡在海上通信中的應用

姜 姍

(河南中醫學院 信息技術學院，河南 鄭州450000)

0 引 言

現代海上各種不同的信息系統中，數據的交互一般利用無線傳感網絡進行傳輸。如海上氣象傳感網絡，利用各種類型的氣象傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器等對環境數據進行采集，采集的信息通過無線傳感網絡發送至信息處理中心，經過處理后展現給用戶［1］。而海上信息系統中，能源的供給相對于陸地是較為緊張的資源，所以如何在有限的資源內最大限度的傳輸數據是衡量無線傳感網重要的性能指標。

傳統的數據算法中，各種不同類型的傳感器對采集的信息進行單獨傳輸，網絡能耗較大，數據傳輸效率較低。現在的解決方法之一，是按照傳感器的類型或者傳感器的位置，對網絡中的所有傳感器進行分類，每一類歸為一簇，單點的數據傳輸在簇內進行，而簇與信息中心的數據交互通過簇首完成，有效地節省了網絡能量，并增加了網絡帶寬。

本文在研究現有無線傳感網絡基礎上，提出一種基于動態聚簇結構［2］的無線傳感網絡，利用負載均衡原理在簇中進行簇首節點的輪詢，有效地平衡了單個節點的能量消耗，增加了網絡的生命周期。最后對算法進行仿真。

1 無線傳感網絡原理及架構

1.1 無線傳感網絡架構

無線傳感網絡一般由成百上千的傳感器及一個信息處理中心組成。傳感器對物理數據進行采集，通過多跳的方式對數據信息傳輸，信息處理中心接收到數據后，對數據進行融合處理。

網絡架構如圖1 所示。

圖1 基于簇的無線傳感網模型Fig.1 The model of the wireless sensor network based on cluster

與傳統的傳感器相比，無線傳感網絡具有如下特點:

1)傳統的傳感器與被采集目標物之間距離較短，并且較易收到海面環境噪聲的影響，從而降低數據采集的精度。而現代的傳感網絡，無傳感器與被測目標物可以有較遠的距離，并且無線傳感器對同一目標物進行自組織采集，通過分析各傳感器之間的數據誤差來判斷環境噪聲的影響，從而大大提高了數據采集精度。

2)傳統傳感器采集的數據通過多跳的方式［3］直接發送至信息處理中心，在信息處理中心進行數據的融合，這樣數據傳輸的能耗較高且傳輸效率較低。現代無線傳感網絡，往往對成百上千的無線傳感器進行排序，并按照一定的規則組成簇網絡，采集的數據在簇內發送至簇首節點，簇首節點先進行數據融合預處理，然后統一發送至信息中心。

1.2 無線傳感網絡節點的組成

在現代的傳感網絡中，單一的傳感器在組網中預先被放置在特定位置，傳感器中包含微型的處理器及無線路由功能。通過微型處理器控制傳感器的采集信息中的效數據，然后通過路由功能把數據集中傳輸給中心節點。所有傳感器節點集微處理器、物理感知器、無線路由器及數據存儲器于一身，本身即為一個小型的計算機系統。

無線傳感器節點結構如圖2 所示。

圖2 無線傳感器節點結構Fig.2 The wireless sensor node structure

如圖2 所示，海上無線傳感網絡中最大的是電源的限制，因為海上無線傳感網絡都是配備電池，一次性大量替換電池的成本十分昂貴。如何在有限的電力供應下，最大限度的提高網絡的傳輸線效率及使用壽命是海上無線傳感網絡最重要的研究方向。在本文基于動態簇的無線傳感網絡數據傳輸算法中，利用負載均衡的原理，盡量平衡每個節點的能量使用，并且大部分數據傳輸在簇內進行，有效的降低了數據傳輸的路徑，從而減少了網絡能量的消耗。

2 基于動態簇的無線傳感網絡算法

2.1 無線傳輸模型

在本傳輸結構中，假設數據通信信通中的發射和接收模塊發送每比特數據的功率消耗Eelec=50 nJ/bit，為最大限度的消除海上的環境噪聲所需要的放大器功率消耗為Eelec= 100 pJ/bit/m2，并且信號發射功率與距離的平方線性相關，若發送距離為d，發送數量為kbit，則能量消耗有如下公式［4］:

接收端的功率消耗為:

其模型如圖3 所示。分析可知，若要減少整個無線傳感網絡的耗能，則必須盡量減小數據傳輸的距離，同時減少數據發送的次數。

2.2 動態簇的傳輸原理

在無線傳感器中進行數據傳輸的特點是:當2個傳感器之間的距離較近時，則在它們之間的信息傳輸耗能最小。

圖3 海上無線傳輸模型Fig.3 Wireless transmission model on the sea

本文對網絡中的無線傳感器按照離基站節點的距離遠近按簇進行劃分。在簇中，則分為普通節點及簇首節點，簇首節點負責整個簇的數據搜集，并進行數據融合，最終數據傳輸是在簇首與基站節點之間進行，若距離較遠，則需要通過其他簇中的簇首節點進行路由連接，完成多跳傳輸。

在簇內，簇首并不是固定不變的，而是按照如下規則進行輪詢:在簇中，每個節點隨機選擇一個介于0 ～1 之間的數值，并設定一個閥值T(n)，如果隨機值小于閥值，則將之置為簇首節點。閥值的選擇公式如下:

在本文的按簇協議中，數據傳輸分為初始換過程、穩態過程及簇首節點輪詢過程3 個過程。下面進行詳細描述。

1)初始化階段

在初始化階段，每個傳感器利用自身的監控器對周邊的節點進行信息的判斷，如傳感器的類型、功能及路由性能等參數，然后結合周邊和自身性能相似的節點自發的組成一簇。當整個無線傳感網絡按照簇進行劃分完畢后，則在每簇中進行簇首節點的選擇，最先被選擇為簇首節點的原則是傳感器的剩余能量、路由功能及與基站節點的距離遠近的一些列參數的最優節點。當簇首節點選擇完畢后，在簇中進行數據傳輸時隙、信道的分配。步驟如下:

①初始化時，當簇首選擇完畢后，普通傳感器節點通過一個固定頻率的信道來和簇首節點建立連接，簇首節點通過此信道傳輸控制信息，建立連接前需要偵聽到k 個Tframe時隙的數據。

②若在k 個Tframe時隙內，接收到簇首節點傳輸的控制信息，則表明此普通節點已經歸入簇結構中，并且此簇中已有簇首節點，則普通傳感器節點向簇首節點進行注冊，當簇首接收到普通節點的注冊消息時，則查詢自身的時隙分配表，時隙分配表中記錄了已經分配及未分配的信道及時隙，若有未分配的信道及時隙，則選擇一個時隙發送給普通節點。普通節點接收到返回的消息后，發送應答消息，并且打開自身的數據傳輸單元，進行數據傳輸。

若上述過程有一個失敗，則此普通節點在本輪中不進行數據的傳輸和接收，而等待下一輪重新進行上述請求。

通過上述分析，普通節點只有當分配了信道及時隙后，才打開自身的數據傳輸單元，而未分配時，則關閉。有效地節省了自身節點的能量。

圖4 為初始化階段的過程圖。

圖4 算法初始化過程圖Fig.4 The algorithm initialization process map

2)穩態過程

當初始化階段完成后，簇首節點通過約定的信道向簇內其他節點發送控制查詢信息，消息體包含用戶的需求信息。簇內節點接收到此信息后，自發的與簇首節點建立連接，并根據初始化分配好的時隙及信道發送用戶需要的采集信息。簇首節點接收到采集信息后，則利用自身的處理器預先進行融合處理，然后將數據發送至基站節點。

3)簇首節點輪詢過程［5］

由于簇首節點負責了整個簇內數據的融合及數據發送功能，其耗能較大，簇首節點通過監視模塊對自身的能量消耗進行檢測，當發送自身的所剩能量達到一個臨界值時，則向簇內節點進行廣播，放棄成為簇首節點;同時，向簇內其他查詢各節點的所剩能量，并選擇一個能量最大的節點來接替自身的職責。

通過簇首節點輪詢過程，對簇中所有節點進行能量的負載均衡，有效地提高了整個網絡能量的利用率并延長了網絡的生命周期。

3 算法仿真

本文對基于動態簇結構的無線傳感網絡算法進行仿真。首先建立一個區域大小為50 ×50 單位的無線傳輸網絡空間，并在空間中隨機部署100 個無線傳感器，整個無線傳感網絡基于如下設定:

1)一旦在區域內對傳感器部署好后，則不再進行位置的變動，這也符合海上物聯網系統及無線傳感網絡的實際情況。

2)海上無線基站則固定在區域外離傳感器節點不遠的一個恒定坐標位置。

3)所有單個傳感器所含能量相等，并且信息處理能力、路由能力相似。

4)節點沒有導航功能，即不能通過導航知道各節點離基站節點的距離遠近。

最后給出傳統算法與基于動態簇的無線傳感網絡能量消耗曲線圖。

圖5 本文算法與傳統算法能量消耗比較曲線圖Fig.5 The comparison chart of energy consumption

4 結 語

在現代海上物聯網系統中，基于無線傳感網絡的數據采集及傳輸應用越來越多，而由于海上無傳感器能量供給的限制，傳統的基于單節點的網絡組網及數據傳輸已經不能滿足現代海洋信息系統的大數據要求。

本文在研究了現有的無線傳感網絡基礎上，提出了一種基于動態聚簇結構的無線傳感網絡，并進行了仿真。

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［5］張建華．物聯網技術在海面作戰統一調度系統中的應用［J］．艦船科學技術，2015，37(2):228 －231．ZHANG Jian-hua．Research on battle command system based on internet of things ［J］．Ship Science and Technology，2015，37(2):228 －231．