城市綜合管廊WSN中TRF-LEACH協議的仿真研究?

周志鑫，鄭豪男，周慧敏，邵晨寧，項 斌，平昕怡，王思陽，惠國華?，易曉梅，李 劍，郜園園，趙治棟

(1.浙江農林大學信息工程學院，林業感知技術與智能裝備國家林業局重點實驗室，浙江省林業智能監測重點實驗室，杭州311300；

2.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江省杭電智慧城市研究中心，杭州310018)

如今，越來越多的高新技術被運用整合到城市生活中。例如無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)[1]，無線局域網(WLAN)[2]，高速網絡和智能手機等創新進步都在人們日常生活中扮演重要角色。尤其是WSN在越來越多地的領域大展身手[3－5]，例如城市綜合管廊監控中。城市綜合管廊作為一種現代化、集約化的城市公用基礎設施[6]，可以有效解決城市道路反復開挖，城市地下空間閑置浪費和市政管道破損等問題。它是未來智慧城市建設中不可或缺的組成部分。目前，隨著WSN和計算機技術的突飛猛進，無線監控有望取代傳統有線監控手段。因此，對城市綜合管廊的運行狀態進行可靠的實時監控成為了目前的研究熱點之一。

基于WSN技術的無線監控系統具有實時不間斷、動態性強、設施安裝簡易等優勢。其中路由協議作為WSN的“大腦”。廣大學者對路由協議，進行了深入研究，取得了一系列研究成果。李建洲等人提出了一種考慮多種因素來均衡節點能耗的分簇多跳路由協議(EBCRP)，該協議在選擇中繼簇頭時綜合考慮了鄰近簇頭相對自身的距離和方向，達到均衡網絡能耗的目的[7]。胡小平等人在灰狼算法的基礎上改進其收斂因子，平衡全局和局部搜索能力，提高算法中后期的優化能力，改善節點部署[8]。吳勇等人提出了一種綜合考慮簇內和簇間兩個優化目標的協議(DEDS)，該協議在時延、分組遞交率、能耗、穩定性等性能指標上有顯著提升[9]。謝成陽等人提出了一種基于自適應代表節點選擇的WSN數據收集方法，在保證壓縮感知數據重構精度的同時，減少參與數據收集的節點數，降低了網絡能耗和數據傳輸量[10]。Tsai C W等人提出一種HHCA(Hyper-Heuristic Clustering Algorithm)算法來增強WSN的聚類效果。該協議通過引入高性能的啟發式算法來尋找更好的解決方案來平衡所有傳感器的剩余能量，從而使存活傳感器節點的數量最大化，達到減少WSN能量消耗的目的[11]。Subha C P等提出了一種針對異構WSN的H-CERP(Hybrid Clustering Energy aware Routing Protocol)改進協議，通過形成比最佳估計值更少的有效簇和使用多跳傳輸手段，達到網絡壽命和覆蓋范圍在無需額外成本的情況下更具優勢的目的[12]。Naranjo P G等人提出了一種名為Prolong-SEP(P-SEP)的改進協議，該協議考慮兩級節點的異質性，采用新的簇頭競選策略，通過平衡網絡的能量消耗來延長WSN的穩定時間[13]。

基于上述研究和現有的管廊研究成果－LEACH-HC協議進行比較分析，本文嘗試將三角形節點部署方案和中繼節點轉發方案相結合，并且對LEACH協議進行改進，力求構建出更加契合城市綜合管廊要求的路由協議。于是，提出基于三角形部署的中繼轉發成簇協議(Triangle relay forwarding-LEACH)。仿真結果表明TRF-LEACH協議在針對城市綜合管廊的應用中能顯著提高網絡的生命周期，均衡網絡能耗和增強數據吞吐能力。

1 城市綜合管廊與約束條件分析

1.1 城市綜合管廊

城市綜合管廊亦稱共同溝，主要是指在城市道路地下建造一個將電力、信息、給水、熱力和排水等多種市政公用管線集中敷設在同一個空間內的建筑。以做到城市道路地下空間的綜合開發利用和市政公用管線的集約化建設和管理，從而避免城市道路產生“拉鏈路”，提高管道維護和檢修的效率的目的[14]。其中，城市綜合管廊WSN主要實現區域內管道的監視數據采集、傳輸，是構成完整的自動化監控網絡的重要一環，這使得高性能的路由協議成為系統穩定運行的關鍵因素之一。

1.2 約束條件分析

考慮到城市綜合管廊建筑結構的特殊性，在其區域內部署WSN，存在諸多困難。這些特性使得各類經典的路由協議不能直接照搬到城市綜合管廊WSN的應用中。所以，城市綜合管廊的這些特性在設計路由協議時會成為限制協議性能的主要因素。通過分析，城市綜合管廊的主要約束條件如下：

①城市綜合管廊必定是一個長度遠大于寬度的建筑結構。目前，城市綜合管廊通常與地鐵、城市干線和地下綜合體等工程統一納入城市空間規劃，形成共同化、綜合化發展的趨勢[15]。

②城市綜合管廊屬于封閉結構。城市綜合管廊的建設不可避免會遇到各種類型的地下空間占用問題[16]。在前期規劃中，必須將綜合管廊與其他地下空間建設統籌考慮，使城市綜合管廊擁有獨立空間，不受其他建筑影響。

③城市綜合管廊包含的管道種類多。在中國，城市綜合管廊尚處在發展時期，根據其斷面以及功能定位的不同，需要設計不同的管道搭配方案。文獻中考慮的管道類型主要是電力、電信、供水和天然氣管道[17]。可以將其概括為水處理管道、供熱管道、強電管道和弱電管道等四類管道。

④城市綜合管廊監控所需傳感器類型重疊。不同地區的城市綜合管廊設計方案中，管道類型配比是各有不同，但各個管道在需監控參數上有大面積重疊(溫度、濕度、水位、氣體)。因此，對不同類型的管道進行監控時，部署的傳感器種類是大致相同。

⑤收集相同類型數據的傳感器可能具有不同工作頻率。在管廊監控中，多種類型傳感器對城市綜合管廊中管道的多種參數進行采集，并將采集到的數據發送給相關控制模塊進行處理。處理器對節點各部分的工作進行協調和控制，對采集的數據做統一化處理，再經由通信單元中進行傳輸。除此之外，根據不同管道的工作特點，傳感器的工作頻率要求也有所不同。即對傳感器電池能量儲備提出不同要求[18]。

2 TRF-LEACH路由協議

本文提出的TRF-LEACH路由協議，改進了節點部署以及簇間路由方式，使之適用于長距離、大規模的網絡傳輸。其中，TRF-LEACH協議主要由兩個階段構成：①簇的建立階段；②路由的確定階段。具體流程如圖1所示。首先，在簇的建立階段，節點部署采用固定節點部署和自由隨機部署相結合的方式，然后依據能量級信息進行分簇。最后，在路由的確定階段，劃定中繼節點覆蓋范圍，通過中繼節點將其覆蓋范圍內簇頭信息發送給基站。

圖1 技術路線圖

2.1 網絡模型

城市綜合管廊監控網絡的目標對象為地下市政管道，傳感器節點安置在這些管道上。本文將研究的城市綜合管廊結構抽象成一段長矩形區域，節點在這片區域內按照一定的規則來傳遞信息。在管廊信息傳遞過程中會產生隨著管道距離的延伸，節點間通信所產生的能耗也會劇增，遠離匯聚節點的節點信息可能無法有效地傳輸給匯聚節點等一系列問題。因此，根據管廊環境的特征，提出了具有以下特點的WSN模型：①部署后的無線傳感網絡屬于靜態網絡，即基站和節點位置不再變化；②節點采用的是布爾感知模型，忽略邊界因素影響。節點的感知范圍和通信范圍都是理想的圓形；③區域內節點相互之間以及節點與基站之間都可以直接通信；④有且只有一個基站，位于區域幾何中心，基站具有充足的能量以及足夠的數據計算性能；⑤節點分為普通節點和中繼節點2種類型，中繼節點為高能量節點，且兩類節點都能夠進行功率調節。

2.2 能耗模型

在WSN中，節點間傳輸數據產生的能耗主要取決于發送端節點與接收端節點之間的距離d。即式(1)與式(2)給出了不同距離下傳感器節點的接收能耗和傳輸能耗計算方式。傳感器節點傳輸k比特數據的通信能耗可以分為兩部分：一部分作為支撐設備電路在傳輸和接收時處理信號所需的能量，認為二者能耗是相等的，均為Eeleck；另一部分為傳感器節點數據傳輸時射頻功率放大器的能耗，該部分能耗與距離相關，在傳感器節點能耗中占據很大比重。當d＜d0時，采用由空間能耗模型，其能耗為Eampkd2，當d≥d0時，采用多路衰減模型，其能耗大大增加，為Eampkd4。發送端傳輸k比特數據的能耗計算公式：

接收端接收k比特數據的能耗計算公式：

式中：k代表數據的比特數；Eelec為收發電路的能耗；d是發送節點到接收節點間的距離；d0是自由空間模型與多徑模型下的臨界閾值且d0＝ Efs/Eamp；Efs和Eamp分別表示自由空間模型和多徑模型功率放大電路的能耗系數。

2.3 節點異構設計

為了提高城市綜合管廊WSN中傳感器節點的利用率，在中央處理器能夠將收集到的數據做統一化處理的基礎上[19]，由于管線和傳感器種類的多樣性(檢測不同管線的傳感器的工作頻率的不同，需要配備不同容量的電池)將產生各類傳感器節點能量使用不均等的情況。

所以本協議中的節點采取異構化設計。根據1.2中描述，數據格式得到統一處理之后，能量就成為限制WSN綜合性能的主要因素。考慮不同傳感器節點的能量需求不同，將節點分為普通節點和中繼節點兩類。普通節點主要功能是采集管道數據和內部競選簇頭。而中繼節點擁有更多的初始能量，使其能完成高頻率數據的采集工作和覆蓋區域內簇頭數據的中繼轉發。但是，從數量上來說，高能量的中繼節點在數量上比普通節點少得多，同時由于管廊管壁兩側管道密集，傳感器工作頻率更高，所以中繼節點部署靠近管壁。

這種節點類型分類方式能直觀對接綜合管廊中的能耗情況，使得在高頻率工作區域的節點平均能量更高，與管廊實際條件更相符合。并且這種異構節點策略也為下文簇間路由打下基礎，使其能夠緩解多跳傳輸而產生的“能量空洞”問題。本文將在2.4和2.5中討論節點部署策略和簇間路由改進。

2.4 節點部署策略

通過分析可知，在城市管廊的類線性環境中，管道的截面積相比于節點的覆蓋范圍是可以忽略不計的。所以，節點部署要在長度延伸上充分考慮網絡的感知能力和通信能力，傳感器網絡通常需要冗余的部署節點，實現強連通度和強覆蓋度要求。那么，即使部分節點失效，整個網絡仍能保持對覆蓋區域的感知和整個網絡的連通。

在城市綜合管廊WSN中，傳感器節點負責采集監測區域的信息。所以，整片管廊區域必須被有效覆蓋。但由于WSN節點數目的有限性以及綜合管廊環境的特殊性，如果感知區域內采用單一節點覆蓋，無法滿足整個監測區域的信息有效采集要求。所以有必要強化城市綜合管廊WSN區域的多重覆蓋。

考慮到2.3節中提出的異構WSN中普通節點和中繼節點在傳感能力以及硬件成本上差異懸殊，所以采用靜態部署與隨機部署相結合的方法，即大量的低能量節點隨機部署，而對于數量較少的高能量節點，我們采用靜態部署策略。靜態部署主要針對解決網絡工作過程中的覆蓋漏洞問題。由于普通節點在綜合管廊部署范圍內感知面積有限，故采用高能量的中繼節點來實現多重覆蓋。但考慮到中繼節點數量有限，現考慮兩種部署方式，即三角形部署和正方形部署，如圖2所示。

圖2 三角形與正方形部署結構示意圖

從圖2(a)和圖2(b)中可以分析出，在一般情況下(a)和(b)都達到了多重覆蓋的效果，并且文獻[20]指出正方形部署的覆蓋效果更好。但是，在管廊WSN設計中，高能量節點的數目是有限的，相同覆蓋區域下采用正方形部署需要更多數量的節點，并且隨著管線的延伸這種數量差距將不斷放大。而采用三角形部署同樣能完成任務，卻只需要原來66.7%的節點即可，所以在經濟效益上有明顯優勢。

考慮到高能量節點的數目和高能量節點還將承擔中繼功能，需全面覆蓋城市管廊，故其感知半徑將大于綜合管廊寬度。所以，本節接下來將對中繼節點采取三角形的部署方式進行重點分析，其部署特點是中繼節點在管廊平面投影圖中呈三角形部署排列連接，如圖3所示。

圖3 三角形分區覆蓋部署策略

如果將圖2(b)中按照三角形部署的中繼節點的感知半徑縮小或者將各個中繼節點之間的距離擴大必定都會造成中繼節點的中心出現空隙，形成覆蓋空洞，如圖4所示。而綜合管廊的覆蓋范圍處在中繼節點構成的監控區域內，這個區域必然大于形成的覆蓋空洞，所以在這個范圍內部署普通節點就能填補覆蓋空缺，那么覆蓋空洞的問題就可迎刃而解。在圖4中通過建立節點區域覆蓋模型對呈三角形結構部署的節點間距離的進行了定量展示，并添加一個感知半徑較小的普通節點解決覆蓋空洞問題。兩類節點之間的覆蓋關系如下計算。

圖4 三角形部署覆蓋空洞示意圖

假設圖4所示的中繼節點的覆蓋半徑為R1，普通節點覆蓋半徑為 R2，并且 R1＞R2，R1/R2＝k。 這里做出假設 R1＝r，R2＝r/k。

所以，覆蓋區域的三角形面積為：

此外，包含覆蓋空洞形成的最大三角形面積是：S△MAX＝

覆蓋面積占比：

根據上文節點設置中普通節點和中繼節點的懸殊數量比，即R1/R2＝k的值較大。

所以，式(3)取極限得

2.5 簇間路由方式改進

傳統的LEACH協議在數據傳遞過程中，簇內所有節點需將信息先傳遞給簇頭，再由簇頭傳遞給基站。LEACH協議的這個過程沒有考慮數據傳輸距離和簇頭節點能耗高的問題。而在城市綜合管廊中，由于距離的大幅度增加，必須對所有節點進行劃分。所以，在TRF-LEACH協議中，對數據傳遞方式也做出相應改進。故在本文2.4節提出的三角形節點位置部署的基礎上，為了最更大程度地均衡網絡能耗，提出根據不同簇與基站之間的距離而采取的信息中繼轉發方案。如圖5所示。其流程為：TRFLEACH協議在分簇完成后，每一個簇內的普通節點將信息傳遞給簇頭節點(Cluster head)，再由簇頭節點傳遞給覆蓋范圍內的中繼節點(Relay node)，如果某簇頭同時位于兩個中繼節點的覆蓋范圍內，則選擇距離較近的中繼節點進行信息傳遞。然后由中繼節點將接收的信息傳遞給基站(Base Station)。

圖5 中繼節點轉發示意圖

那么，對于中繼傳輸方式的計算分析如下。設城市綜合管廊的模型長為2L，寬為W，其中W?L，基站位于幾何中心。現取其中一半模型進行研究，即長L，寬W，基站位于一側的部分。設在此區域內總共部署N個普通節點，m個中繼節點，每個中繼節點的覆蓋直徑為A，簇頭競選概率為P。

在理想狀態下，假設整個網絡均勻分簇，則每個中繼節點覆蓋的普通節點(包括簇頭)數目為：

如果每個簇頭傳遞的數據量為k比特，則所有中繼節點接收轉發所需的總能量是

接收端：

發送端：

故：

當管廊長度延伸，部署更多的中繼節點，即m較大時：

所以，分析式(6)可知，中繼節點的轉發性能由P，A，m多個參數共同決定。

3 仿真與討論

3.1 仿真參數設置

本文使用MATLAB 2012a作為仿真平臺，對提出的TRF-LEACH協議進行仿真實驗，并將其與LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC協議在無線傳感網絡生存時間、簇頭數量和數據吞吐量等方面進行對比。網絡仿真參數如表1所示。

表1 仿真實驗各個參數

3.2 性能分析

在設計本文WSN之前，我們依據管廊的需求和特點設計了LEACH-HC協議。但是LEACH-HC協議在生命周期完整性和協議穩定性上還有所不足，我們針對上述兩個方面的不足做了改進，提出TRFLEACH協議。盡管TRF-LEACH協議在延展性方面LEACH-HC協議相比還稍有欠缺，但是能夠保障生命周期完整性和協議穩定性上的要求。所以，在相同實驗環境下，對 LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC協議以及TRF-LEACH協議進行仿真。通過實驗數據進行比較分析。

圖 6是對于 LEACH，SEP，M-LEACH、LEACHHC和TRF-LEACH等5種協議第一個死亡節點出現時間的比較。除M-LEACH外，其他4種協議在前150輪中均沒有節點死亡。在此之后，LEACH協議第一個死亡節點分別出現在281輪。SEP協議第一個死亡節點分別出現在197輪。LEACHHC協議第一個死亡節點則出現在384輪。而TRF-LEACH協議第一個死亡節點出現在738輪，相比于LEACH-HC協議的第一個死亡節點出現時間，延遲了92%。所以說，TRF-LEACH協議有效地延遲了第一個死亡節點出現的時間。有趣的是，雖然SEP協議在節點平均能量上高于LEACH協議，但第一個死亡節點反而較LEACH協議早84輪出現。究其原因，這是由于SEP協議節點異構化后沒有對分簇策略做出相應調整，導致在長矩形系統中節點能耗更加不均，出現節點過早死亡的現象。另外，由于M-LEACH協議采用中繼傳輸，中繼節點能量有限卻擔當重任，死亡節點出現時間很早。另一方面，從死亡節點出現趨勢上講，當第一個死亡節點出現之后，LEACH協議中的節點死亡速度最快。SEP和M-LEACH協議則延續了較長的生命周期。但TRF-LEACH協議同它們相比，生存周期更是提升了51%以上。由于TRFLEACH協議死亡節點出現時間大幅度延遲和生命周期較長，所以TRF-LEACH協議的網絡完整性時間大幅度超出其他協議。

所以，無論從網絡完整性還是從第一個死亡節點出現時間方面考慮，TRF-LEACH協議都明顯優于LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC協議。

圖6 網絡生存周期比較圖

圖 7是在 LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC和TRF-LEACH等5種協議在運行1 000輪情況下，進行100次實驗的結果對比圖。圖7中信息傳遞出在100次仿真實驗中，LEACH協議僅有7次還有節點存活，且存活節點數量少于2%。SEP和M-LEACH協議剩余的死亡的節點數目超過節點總數的60%，網絡完整性遭到嚴重破壞，且M-LEACH和LEACH-HC的穩定性存在不足，死亡節點數量波動區間達到30。而TRF-LEACH協議在運行1 000輪后，平均死亡節點數目為16.97個，相較于SEP和M-LEACH協議提升50%以上，網絡的生命得到有效延長。同時，在協議穩定性方面得到改善，死亡節點波動區間下降到20左右。所以，在5種協議中，TRF-LEACH協議的有效生命周期高于另外3種協議一倍以上，且與LEACH-HC協議相比穩定性提升34%以上。

圖7 死亡節點數量對比圖

圖8 展現的是簇頭數量與運行時間的關系曲線，圖中一個點是每100輪產生的簇頭節點的平均值。由圖8可知，在實驗過程中TRF-LEACH協議的簇頭總數大于其他3種協議。運行到500輪左右時，SEP協議的簇頭數量超過LEACH協議。運行到830輪左右時，M-LEACH的簇頭數量超過LEACH。其中LEACH協議的簇頭數目曲線下降最快，而TRF-LEACH協議的簇頭總數始終明顯高于其他3種協議簇頭數目。TRF-LEACH協議保證了節點數據傳輸的有效性，充分有效緩解簇頭節點由于負載過大而過早死亡的問題。其原因在于TRFLEACH協議考慮中繼節點的覆蓋范圍，使得簇頭的區域劃分更合理，網絡能耗更加均衡。

圖8 簇頭數量與時間變化曲線圖

圖9 顯示了4種協議在1 000輪實驗內，基站接收數據總量的變化(時間以輪次表示)。由圖9中可知LEACH和SEP協議在數據吞吐能力上十分相近，SEP的異構設置對提升協議的數據傳輸能力提升有限。而M-LEACH則在運行前期吞吐能力較強，但在525輪之后，TRF-LEACH協議的傳輸總量超過M-LEACH協議。其中，在 0～1 000輪范圍內TRF-LEACH協議數據吞吐量近似于線性增長，而其他3種協議都有不同程度的滯緩。在1 000輪的實驗中TRF-LEACH協議的吞吐總量是M-LEACH吞吐總量的147.6%，是LEACH和SEP協議的10倍左右。

圖9 基站接收數據量

4 總結

本文針對 LEACH、SEP、M-LEACH和LEACHHC協議在城市綜合管廊中產生的各類問題，提出基于三角形部署和中繼轉發的TRF-LEACH協議。該協議引入三角形部署，以實現多重覆蓋，保證網絡覆蓋性，均衡節點密度。并且在綜合考慮節點特點和空間分布的情況下引入中繼轉發方式，均衡了各節點間的能量消耗速度，解決了節點過早死亡和覆蓋漏洞問題。實驗結果表明，TRF-LEACH協議有效地均衡了節點能量消耗、延長了WSN生命周期、改善了數據吞吐能力。