城軌無線傳感網(wǎng)中鏈狀分簇路由協(xié)議的研究

華吉宏，張璐，范毅，曲昕，趙慧

（1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連　116028；2.中國聯(lián)通大連分公司 遼寧 大連　116028）

城軌無線傳感網(wǎng)中鏈狀分簇路由協(xié)議的研究

華吉宏1，張璐2，范毅1，曲昕1，趙慧1

（1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028；2.中國聯(lián)通大連分公司 遼寧 大連116028）

本文為解決在城市軌道交通實際環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡能耗不均、數(shù)據(jù)延遲和冗余等問題，通過設計并采用基于鏈式的分簇路由（LP）協(xié)議，并結合在NS2環(huán)境下對該無線傳感器網(wǎng)絡進行虛擬仿真，從網(wǎng)絡能量的消耗、網(wǎng)絡延遲以及匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量三個角度進行對比分析；得到實驗結論，相對于分簇路由協(xié)議和鏈狀路由協(xié)議網(wǎng)絡，LP協(xié)議的網(wǎng)絡延時降低了70%，網(wǎng)絡能耗降低了50%，匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量提高了10%。LP協(xié)議有效地延長了網(wǎng)絡的生命周期并且節(jié)省了網(wǎng)絡的能耗，十分適合城市軌道交通這一特殊領域，達到了預期目的。

無線傳感器網(wǎng)絡；路由協(xié)議；簇頭節(jié)點NS2；城市軌道

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，如何確保城市軌道列車安全高效的運行成為急待解決的課題，為實現(xiàn)這一目標，增強對行車設備中關鍵部分的監(jiān)測能力就顯得尤為重要。然而在城市軌道交通的實際環(huán)境中，對設備的實時監(jiān)測基本無法人工完成，因此具有高效監(jiān)測能力的無線傳感器網(wǎng)絡以其低功耗及低成本等優(yōu)勢，適用于城市軌道交通的實時監(jiān)測環(huán)境中。

在城市軌道環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構為帶狀，會帶來網(wǎng)絡能耗不均、數(shù)據(jù)延遲和冗余等問題，最終影響網(wǎng)絡傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量，影響網(wǎng)絡的傳輸性能。而無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的首要目標就是提高網(wǎng)絡的能量效率，延長網(wǎng)絡的生存時間，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，以提高網(wǎng)絡的傳輸質(zhì)量。因此能否設計出高效的路由協(xié)議，滿足網(wǎng)絡的性能要求，成為決定無線傳感器網(wǎng)絡生存能力的關鍵。

1　城軌WSN網(wǎng)絡拓撲及路由設計思路

文中設計了一種鏈狀路由分簇協(xié)議，其網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，該拓撲結構就是在線形自組網(wǎng)的基礎上，按照指定的路由協(xié)議將網(wǎng)絡中所有的傳感器節(jié)點分成無數(shù)個連通的簇，當網(wǎng)絡體系發(fā)生改變時能自動更改簇的結構，使網(wǎng)絡可以正常的運行［1］。

在該分簇拓撲結構中，如果沒有指定的任務，傳感器節(jié)點的通信模塊是關閉的，這樣可以節(jié)約很多能量，延長網(wǎng)絡的生命周期［2］。綜合城軌WSN的拓撲結構，其路由協(xié)議應具有可擴展性強、數(shù)據(jù)延遲低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、能量均衡的特性。基于鏈狀的分簇路由算法，充分利用了分簇路由算法將能量平均分攤到每一個節(jié)點的優(yōu)點和鏈狀路由算法節(jié)約節(jié)點能量的優(yōu)點，從而有效的延長了網(wǎng)絡的生命周期。

2　基于鏈狀的分簇路由協(xié)議的設計

LEACH協(xié)議是一種低功耗自適應分層路由協(xié)議［3］。該協(xié)議的基本思想是將網(wǎng)絡劃分成多個簇，根據(jù)簇頭節(jié)點安排的TDMA時間調(diào)度，簇內(nèi)的成員節(jié)點將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭對接收到的數(shù)據(jù)進行融合處理后，再將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給匯聚節(jié)點或終端用戶。這樣可以大大節(jié)省節(jié)點的能量消耗。PEGASIS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎上提出的一種分層路由協(xié)議［4］，不過在該協(xié)議中，所有網(wǎng)絡節(jié)點只形成一個簇，稱為“鏈”。PEGASIS協(xié)議中由于采用單簇結構，簇頭的可靠性非常重要，其故障或失效將導致路由失敗并使整個網(wǎng)絡無法正常工作；如果鏈過長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延將會增大，不適合實時應用。

圖1　線性分簇拓撲結構

基于鏈狀的分簇路由協(xié)議 （LP）按周期執(zhí)行，單位是“輪”，每輪通信都分為兩個階段：簇的建立階段和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段。簇的建立階段又分為簇頭的選舉與調(diào)整、簇內(nèi)鏈式拓撲結構的形成和再次成簇3個部分。在該算法中，首先運用LEACH算法將所有網(wǎng)絡節(jié)點分簇，然后按照PEGASIS算法在簇內(nèi)形成鏈式的拓撲結構，最后將各簇的簇頭即鏈首節(jié)點重新成鏈。

圖2　鏈式分簇路由協(xié)議流程圖

2.1簇的建立

2.1.1簇頭的選舉與調(diào)整

在選取簇頭前先將所有節(jié)點分簇。因為簇頭在傳送信息時，離匯聚節(jié)點越近消耗能量越小，為了控制并接收較多簇內(nèi)節(jié)點傳遞的信息，延長網(wǎng)絡的生命周期，該算法采用不均勻分簇方式，即離匯聚節(jié)點越遠的簇其成員節(jié)點就越少，越近則成員節(jié)點就越多。為使網(wǎng)絡性能達到最優(yōu)，首先需根據(jù)網(wǎng)絡實際情況選取最合適的簇頭數(shù)量，再選取合適的節(jié)點擔任簇頭［5］。

假設在一個城軌網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域為H×H的網(wǎng)絡中有M個傳感器節(jié)點，將這些節(jié)點劃分成N個簇，則網(wǎng)絡中就有N個簇頭，每輪通信的過程中假設節(jié)點只發(fā)送單位量的信息，且忽略因數(shù)據(jù)融合而產(chǎn)生的能耗［6］。下面我們將通過對能量進行分析計算出網(wǎng)絡的最優(yōu)簇頭數(shù)，在此基礎上通過計算出的門限值選出合適的簇頭。

每個簇頭節(jié)點在一輪的通信中所消耗的總能量ECH，可分為簇內(nèi)節(jié)點接收數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)和將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點3個部分：

其中Eelse表示發(fā)射和接收單位信息消耗的能量，εmp表示簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點通信時單位能耗的參數(shù)，ds表示簇頭結點到匯聚節(jié)點的距離，EDA表示單位數(shù)據(jù)信息融合的能耗；

每個簇內(nèi)在一輪通信中，非簇頭節(jié)點到簇首節(jié)點消耗的能量：

其中εfs表示簇成員節(jié)點與簇頭節(jié)點通信時單位能耗的參數(shù)，dτ為簇成員結點到簇頭結點的距離。

在每個簇內(nèi)，單位周期所需能耗為：則該網(wǎng)絡中一輪的通信中N個簇所要消耗的總能量為：

由于該城軌檢測區(qū)域的總面積為H×H，因而得出每個簇所占的面積S=H2/N，此面積為隨機產(chǎn)生的區(qū)域，且假設每個簇的簇頭節(jié)點都分布在簇中央，因此我們就能得到簇內(nèi)任一節(jié)點到簇頭節(jié)點的距離：

由于E（d2s）只與簇頭節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離有關，與簇頭的個數(shù)N沒有直接的關系，設Ls為匯聚節(jié)點到簇頭節(jié)點的距離并和公式（6）同時代入公式（5）得：

（7）式中通過Eall對N求導，并使導數(shù)為零：

從上式（9）中我們可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡最優(yōu)簇頭個數(shù)只和網(wǎng)絡區(qū)域的邊長H，以及匯聚節(jié)點到網(wǎng)絡區(qū)域中心距離有關，我們將在仿真初始時對此參數(shù)進行設置。

確定了簇頭的個數(shù)，接下來要選取簇頭。簇內(nèi)在網(wǎng)絡傳輸?shù)倪^程中，由于簇頭非常重要，消耗的能量也比其他節(jié)點多，因此簇頭節(jié)點的能量應比其他節(jié)點高。首先根據(jù)計算得到的簇頭數(shù)Nopt，按照不均勻分簇策略，將網(wǎng)絡分成Nopt個簇，并選取每個簇中剩余能量最大的節(jié)點擔任這一輪該簇的簇

就能得出最優(yōu)簇頭數(shù)Nopt的值為：頭。這樣就能保證某些節(jié)點不會因為能量消耗過快而提前宣布死亡。

2.1.2簇內(nèi)鏈式拓撲結構的形成

當簇頭形成后，各個簇內(nèi)都會采用PEGASIS算法構成鏈式的拓撲結構，使原來的一條長鏈變成了無數(shù)的短鏈。在簇內(nèi)，我們選取距匯聚節(jié)點最遠的節(jié)點為此時的簇頭節(jié)點即鏈首節(jié)點，該鏈首節(jié)點通過比較選出距離自己最近的節(jié)點加入到該鏈中，此時新加入鏈的節(jié)點就變成了新的鏈首節(jié)點，該鏈首節(jié)點繼續(xù)前一鏈首節(jié)點的操作，一直到簇內(nèi)的節(jié)點都加入到該鏈上。這樣簇內(nèi)的節(jié)點就形成了一條鏈式的拓撲結構。設B簇為離匯聚節(jié)點最近的簇且B3為該簇中距離匯聚節(jié)點最近的節(jié)點，則B3即為該鏈的鏈首節(jié)點，節(jié)點 B1、B2、B4、B5和B6的數(shù)據(jù)都要依次傳送到B3，如圖3所示。

圖3　鏈上節(jié)點傳送數(shù)據(jù)

2.1.3鏈首節(jié)點再次成簇

為了節(jié)省能量，避免每個鏈首節(jié)點分別向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，本算法增加了再次成簇這一環(huán)節(jié)，當每條鏈的鏈首節(jié)點融合完本鏈的數(shù)據(jù)后，鏈首節(jié)點將再次形成一個簇，簇內(nèi)也采用PEGASIS算法構成鏈式的拓撲結構，并直接選取離匯聚節(jié)點最近的那個節(jié)點為最終的簇頭節(jié)點 （該鏈的鏈首節(jié)點）。設A、B、C分別代表不同的簇，由于第二階段中，B簇為離匯聚節(jié)點最近的簇，所以在再次成簇這一階段中，B3即為新的簇頭，且A3、B3、C4形成新簇，數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3所示。

圖4　成簇后節(jié)點傳輸分組

2.2穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段

在穩(wěn)定傳輸階段，由于簇內(nèi)采用的是鏈式的拓撲結構，所以數(shù)據(jù)都是從鏈尾節(jié)點傳向鏈首節(jié)點，按照貪婪算法將數(shù)據(jù)傳遞到離自己最近的節(jié)點，按此重復的傳輸數(shù)據(jù)直到傳遞到鏈首節(jié)點，然后鏈首節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)進行融合處理，再與其他簇的鏈首節(jié)點形成新的簇，再以同樣的方式，將數(shù)據(jù)傳送到新的鏈首節(jié)點，新鏈首節(jié)點將自己采集的數(shù)據(jù)與傳遞的數(shù)據(jù)進行融合后直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。

3　仿真結果分析

本節(jié)將通過TCL/TK語言在仿真工具NS2環(huán)境下進行仿真，驗證鏈狀分簇路由協(xié)議在改善網(wǎng)絡性能方面的優(yōu)越性［7］。不失一般性地，在仿真實驗場景中，我們選取城軌一站的距離進行仿真，假設節(jié)點的數(shù)目為N=40，匯聚節(jié)點（不包含在40個節(jié)點內(nèi)）固定在一站的中央。具體實驗數(shù)據(jù)如下表所示。

仿真實驗將從網(wǎng)絡中網(wǎng)絡能量的消耗、網(wǎng)絡延遲以及匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量3個角度將LEACH、PEGASIS、LP 3個不同協(xié)議進行對比分析。從圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡運行周期（即輪數(shù)）的增加，LP的能耗明顯比LEACH的能耗低很多，這個優(yōu)點在運行輪數(shù)未達到1000輪時更為突出；如圖6所示是不同的算法在網(wǎng)絡中總時延隨著運行的輪數(shù)而變化的曲線，從圖中可以看出LP的優(yōu)勢極為明顯，當網(wǎng)絡運行到第 500輪時，PEGASIS網(wǎng)絡總時延大約是 500個單位，LEACH大約是600個，而LP的網(wǎng)絡總時延大約是147個單位。從而得知PEGASIS協(xié)議網(wǎng)絡總時延大約是LP協(xié)議網(wǎng)絡總時延的3.4倍，而LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡總時延大約是其4倍。圖7中LP協(xié)議的匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)量在網(wǎng)絡運行到400輪左右時也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，每輪傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也較其他兩種協(xié)議有所增加。

表1　仿真參數(shù)

圖5　網(wǎng)絡能耗與輪數(shù)的關系

由以上對比分析可以看出，LP協(xié)議內(nèi)通過采用PEGASIS協(xié)議的鏈式拓撲結構，使得網(wǎng)絡能耗大量減少。而又因為采用了LEACH協(xié)議中分簇策略，使得網(wǎng)絡的總延時也大大地降低。最終還大大提高了匯聚節(jié)點接收到的網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量。因此，文中設計的基于鏈式的分簇路由協(xié)議更適合城軌這一特殊領域。

4　結束語

文中針對無線傳感器中節(jié)點能耗分布不均以及信息時延大、匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量偏低等問題，并結合城軌中無線網(wǎng)絡的分布特點，提出了基于鏈狀的分簇路由協(xié)議，改善了分簇機制本身將導致節(jié)點能量負載不均衡的現(xiàn)象，并通過仿真實驗驗證了該協(xié)議能有效均衡網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡生命周期，減小時延，最終增大匯聚節(jié)點接收到的傳輸數(shù)據(jù)量。由此可看出基于鏈狀的分簇路由協(xié)議確實能使城軌無線網(wǎng)絡得到優(yōu)化。

圖6　網(wǎng)絡總時延與輪數(shù)的關系

圖7　匯聚節(jié)點收到數(shù)據(jù)量與輪數(shù)的關系

［1］李方敏，徐文君，劉新華，等．無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡中能量有效的實時分簇路由協(xié)議［J］．計算機研究與發(fā)展，2008，45 （1）：26－33．

［2］孫超，趙路路，張影，等．無線傳感器網(wǎng)絡分簇拓撲的覆蓋區(qū)域節(jié)點調(diào)度優(yōu)化算法研究［J］．傳感技術學報，2010，23 （1）：116－121．

［3］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energyefficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks［c］.In Proceeding of the 33rd Annual Hawaii Int'l conf.on System Science.Maui：IEEE Computer Society，2000：3005-3014.

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［6］張小慶.基于分簇結構的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究與仿真［D］.武漢：武漢理工大學，2009.

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Research on wireless sensor networks in urban rail chain clustering routing protocol

HUA Ji-hong1，ZHANG Lu2，F(xiàn)AN Yi1，QU Xin1，ZHAO Hui1
（1.School of Electrical&Information Engineering，Da Lian Jiaotong University，Dalian 116028，China；2.China Unicom Dalian Branch，Dalian 116028，China）

In this paper，in order to solve the energy consumption inequality，data latency，and redundancy and other issues ofWireless sensor networks at the UMT actual environment.Through the designing and using of the LEACH based on PEGASIS （LP）and the virtual simulation of wireless sensor networks in NS2 environment，it is analyzed from three angles like network energy consumption、network latencyand the amount of data aggregation node received.Concluded that，with respect totheLEACH and the PEGASIS，LP agreement reduce by 70%on network latency，reduce by 50%on energy consumption，improved by 10%on the amount of data aggregation node received.The LP agreement extends the network lifetime and saves energy network effectively，it is well suited to this particular area of urban rail transport and to achieve the desired purpose.

wireless sensor networks；routing protocol；cluster head nodeNS2；urban rail

TP393.04

A

1674－6236（2016）06-0022-04

2015-04-30稿件編號：201504319

華吉宏（1990—），女，安徽安慶潛山人，碩士研究生。研究方向：計算機應用與控制技術。