蔣 陽(yáng), 韓飛飛, 閆藝倩, 郎保才
(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院,重慶 400044)
由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是一個(gè)數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò),在大范圍WSNs中,數(shù)據(jù)的傳遞一般采用多跳方式,從而導(dǎo)致靠近匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)的傳感器節(jié)點(diǎn)因轉(zhuǎn)發(fā)外圍節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)而增大負(fù)荷,消耗更多的能量,導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中能量消耗不均衡現(xiàn)象,研究人員為此開展了大量的研究。文獻(xiàn)[1~4]在網(wǎng)絡(luò)中增加中繼節(jié)點(diǎn)專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),從而避免因承擔(dān)過(guò)多負(fù)載造成能耗不均的問(wèn)題,但是,文獻(xiàn)[4]提出的中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目巨大,在實(shí)際應(yīng)用中不適用。文獻(xiàn)[5]提出一種基于可調(diào)發(fā)射功率的能耗均衡策略來(lái)減少節(jié)點(diǎn)能量消耗。近年來(lái),協(xié)同技術(shù)的發(fā)展引起WSNs研究人員的注意[6~8]。文獻(xiàn)[8]提出一種剩余能量激發(fā)的協(xié)作傳輸方案,通過(guò)協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn),一定程度上解決了網(wǎng)絡(luò)中的能量不均問(wèn)題,但該方法不適用于大范圍的WSNs。
1.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型
WSNs采用分簇算法,因此,網(wǎng)絡(luò)模型是一種層次型結(jié)構(gòu),如圖1所示。
針對(duì)此模型,現(xiàn)做如下假設(shè):
1)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一旦部署,則靜止不動(dòng);2)除Sink節(jié)點(diǎn)不受能量限制外,網(wǎng)路中的其他節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量;3)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率。
1.1.2 能耗模型
采用通用的WSNs能耗模型[8],如式(1)
圖1 網(wǎng)絡(luò)模型
ETx(k,d)=ETx_elec(k)+ETx_amp(k,d)
(1)
ERx(k)=ERx_elec(k)=kEelec,
(2)
式中ETx(k,d)為傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量,ETx_elec(k)為傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送kbit數(shù)據(jù)發(fā)射電路所消耗的能量,ETx_amp(k,d)為傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送kbit數(shù)據(jù)功放消耗的能量;ERx(k)為節(jié)點(diǎn)接收kbit的數(shù)據(jù)所消耗能量;Eelec為發(fā)射電路損耗的能量。在功率放大損耗中,若傳輸距離小于閾值d0,功率放大損耗采用自由空間模型;當(dāng)傳輸距離大于d0,功率放大損耗采用多路徑衰減模。εfs,εamp分別為自由空間模型和多路徑衰減模型中功率放大所需的能量。
分簇算法在一定程度上保證了網(wǎng)絡(luò)中的能量均衡,能夠在一定程度上延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,典型的分簇算法有LEACH[9],HEED,LEACH—C[10]等。
針對(duì)大范圍WSNs,為了均衡全網(wǎng)的能耗,保證簇頭節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的均勻分布至關(guān)重要,因此,大范圍WSNs的分簇算法必須滿足以下條件:
1)簇的形成必須是分布式自組織的;
2)簇首節(jié)點(diǎn)應(yīng)比較均勻的分布;
3)節(jié)點(diǎn)之間的信道模型應(yīng)盡可能采用自由空間模型;
4)簇首節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能選擇能量高的節(jié)點(diǎn);
5)簇首節(jié)點(diǎn)必須是周期性輪循的。
多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)是使用多根發(fā)射天線和多根接收天線進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù),是現(xiàn)代通信中最重要的技術(shù)之一。在WSNs中,傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)互相協(xié)作構(gòu)成虛擬多天線系統(tǒng),從而獲得空間分集增。對(duì)于MISO系統(tǒng),現(xiàn)假定采用STBC進(jìn)行編碼協(xié)同,調(diào)制方式為BPSK,當(dāng)誤碼率為10-3時(shí),不同的協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)帶來(lái)的分集增益和當(dāng)節(jié)點(diǎn)采用相同的發(fā)射功率所帶來(lái)的距離擴(kuò)展如表1[11]。
表1 分集增益和距離擴(kuò)展因子
表1描述的是協(xié)作傳輸對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)射距離的影響,據(jù)此可以確定協(xié)作節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
現(xiàn)假定節(jié)點(diǎn)的發(fā)送距離不變,加入?yún)f(xié)作傳輸之后,節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率必然降低,協(xié)作前后,節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的變化情況如下
(3)
EBBMCC—LS算法把分簇和協(xié)作傳輸技術(shù)相結(jié)合,以達(dá)到保證大范圍WSNs中的能耗均衡。
1)初始均勻簇的構(gòu)成
當(dāng)所有傳感器節(jié)點(diǎn)部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域后,節(jié)點(diǎn)通過(guò)初始化獲取自身的位置信息,然后按圖2示流程完成初始均勻簇的構(gòu)成。假定Sink節(jié)點(diǎn)的位置信息為(x0,y0),網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n,當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署完成之后,則每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息固定不變,表示為[(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)]。
圖2中,Shead為簇首節(jié)點(diǎn)集合,RNHm為簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)集。
圖2 初始簇構(gòu)建流程圖
2)確定最優(yōu)簇首節(jié)點(diǎn)
簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送,相比其他節(jié)點(diǎn)要消耗更多的能量,應(yīng)盡可能地選擇剩余能量多的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn),同時(shí)應(yīng)盡量選擇具有簇內(nèi)最小通信代價(jià)的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)。
節(jié)點(diǎn)j擔(dān)任簇首時(shí)的簇內(nèi)最小通信代價(jià)通過(guò)公式(4)所示的代價(jià)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。假定簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)k將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首采用的功率級(jí)別為Pk,簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目為m,則簇內(nèi)最小通信代價(jià)表示為
(4)
該式表示簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)時(shí)的平均發(fā)射功率,沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量水平,在加入剩余能量進(jìn)行修正之后的最小通信代價(jià)為
(5)
根據(jù)修正后的簇內(nèi)最小通信代價(jià),確定每個(gè)簇中的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)為簇首。
簇內(nèi)最優(yōu)簇首確定之后,簇首節(jié)點(diǎn)向簇內(nèi)成員廣播自己成為簇頭消息,并分配各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的TDMA時(shí)隙。至此,在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布的分簇階段結(jié)束,網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。
一般來(lái)說(shuō),簇首可采用2種通信方式將融合信息傳送到基站:一種是簇首與基站間以單跳的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;另一種是通過(guò)某種策略,獲取簇首到基站的最小能量代價(jià)路徑,以多跳的方式實(shí)現(xiàn)與基站間的數(shù)據(jù)傳輸。EBBMCC—LS算法的簇間通信采用的是初始多跳加協(xié)作傳輸?shù)姆绞?,因此,該算法中簇間通信的關(guān)鍵問(wèn)題是協(xié)作傳輸問(wèn)題。
1)協(xié)作傳輸?shù)臈l件
2)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇
根據(jù)表(1)本算法中協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)只考慮2,3,4。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)滿足協(xié)作傳輸條件,有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),根據(jù)最少跳數(shù)原則,由式(6)確定協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)
(6)
其中,ds為發(fā)送節(jié)點(diǎn)距Sink節(jié)點(diǎn)的距離,dci為i個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)的發(fā)射距離。
為保證數(shù)據(jù)發(fā)送后簇內(nèi)能量的最大化,選擇滿足下列條件的傳感器節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)
(7)
其中,Ere(CHi)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量,dci為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)的距離,n為簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
本文使用Matlab作為仿真平臺(tái),利用無(wú)線電通信系統(tǒng)模型計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。仿真實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)范圍為300 m×300 m,400 m×400 m,500 m×500 m;節(jié)點(diǎn)數(shù)量為300,500,700;基站位置為(150,150)m,(200,200)m,(250,250)m;節(jié)點(diǎn)初始能量為0.5 J;簇半徑為30 m;Eelec為50 nJ/bit;Efs為10 pJ/bit/m2;Emp為0.001 3 pJ/bit/m4;傳輸距離閾值為75 m。在仿真實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量Emin小于0.002 J時(shí),認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡。
EBBMCC—LS算法是為了均衡大范圍WSNs中的能量消耗提出的一種分簇路由算法,下面首先驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)中簇的分布情況。
圖3為300個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)非均勻分布在300 m×300 m的正方形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分布圖,節(jié)點(diǎn)平均分布密度為1個(gè)/m2。在圖3所示節(jié)點(diǎn)部署的基礎(chǔ)上運(yùn)行分簇算法構(gòu)建簇,運(yùn)行結(jié)果如圖4,圖中簇首節(jié)點(diǎn)比較均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中。可見EBBMCC—LS算法能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的均勻分簇。
圖3 節(jié)點(diǎn)分布圖
圖4 網(wǎng)絡(luò)中初始簇首分布
本文的研究重點(diǎn)是WSNs中的能耗均衡問(wèn)題,現(xiàn)對(duì)EBBMCC—LS算法的能耗問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的死亡情況驗(yàn)證算法在能耗均衡方面的特性。
圖5為網(wǎng)絡(luò)范圍為300 m×300 m時(shí),LEACH分簇單跳傳輸方式、LEACH分簇多跳傳輸方式、LEACH—C分簇多跳傳輸方式和EBBMCC—LS方式下,隨著輪數(shù)的變化網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的情況,從圖中看出,EBBMCC—LS算法第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的最晚,且在出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)后所有節(jié)點(diǎn)都很快的死亡。說(shuō)明EBBMCC—LS算法相對(duì)于其它具有更好的能耗均衡性,而且能夠推遲網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻,延長(zhǎng)了WSNs的壽命。
圖5 網(wǎng)絡(luò)范圍為300 m×300 m時(shí)的節(jié)點(diǎn)死亡情況
本文針對(duì)大范圍WSNs的能耗均衡問(wèn)題展開研究,提出的EBBMCC—LS算法在保證網(wǎng)絡(luò)均勻分簇的基礎(chǔ)上,在簇間通信時(shí)加入?yún)f(xié)作傳輸策略,保證了網(wǎng)路中的能耗均衡。通過(guò)仿真表明:該算法適用于大范圍WSNs,能夠解決大范圍WSNs中的能耗不均問(wèn)題。
參考文獻(xiàn):
[1] Olariu S,Stojmenovic I.Data-centric protocols for wireless sensor networks[Z].Handbook of Sensor Networks:Algorithms and Architectures,Wiley,2005:417-456.
[2] Wang Gang,Huang Liusheng,Xu Hongli,et al.Reliable relay node placement in wireless sensor network[C]∥Int’l Conf on Communications and Networking,Suzhou,China,2008:371-375.
[3] Wang Gang,Huang Liusheng,Xu Hongli,et al.Relay node placement for maximizing network lifetime in wireless sensor net-works[C]∥Wireless Communications,Networking and Mobile Computing,China,2008:1-5.
[4] Xin Yufeng,Guven T,Shayman M.Relay deployment and power control for lifetime elongation in sensor networks[C]∥Proc of the ICC Communications Society,Istanbul,IEEE,2006:3461-3466.
[5] 曾志文,陳志剛,劉安豐.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于可調(diào)發(fā)射功率的能量空洞避免[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2010,33(1):12-22.
[6] Nguyen T D,Berder O,Sentieys O.Cooperative MIMO schemes optimal selection for wireless sensor networks[C]∥2008 IEEE International Conference on Communications,Beijing:IEEE Technology Management Council,IEEE Communications Society,2007:85-89.
[7] Quek T Q S,Dardari D,Win M Z.Energy efficiency of dense wireless sensor networks:To cooperate or not to cooperate[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2007,25(2):459-470.
[8] Chen G,Li C F,Ye M,et al.An unequal cluster-based routing strategy in wireless sensor networks[J].Wireless Networks,2009,15(2):193-207.
[9] Heinzelman W R,Chandrakasan A P,Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor net-works[C]∥Proc 33rd Hawai Int’1 Conf on Sys Sci,2000:8020-8030.
[10] Kulik J,Heinzelman W R,Balakrishnan H.Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor net-works[J].Wireless Networks,2002(8):169-185.
[11] Proakis J G.Digital communications[M].New York:McGraw-Hill,1995.