一種應(yīng)用于民航橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

孫毅剛，高鵬飛，陳維興

（中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300）

民航橋載設(shè)備是民航局節(jié)能減排[1]的重點(diǎn)項(xiàng)目，由電源機(jī)組和空調(diào)機(jī)組構(gòu)成。根據(jù)民航局節(jié)能減排戰(zhàn)略部署，飛機(jī)在橋載作業(yè)時將通過橋載設(shè)備[2]替代航空器APU運(yùn)行，使用電能替代燃油，能夠有效降低整體運(yùn)行成本。近年來，隨著橋載設(shè)備在國內(nèi)各大機(jī)場的投入使用，一方面，航空公司減少APU的使用，從而延長了APU的使用壽命，降低了APU的故障率，也減少了燃油的消耗量；機(jī)場除了獲得設(shè)備租賃收益外，同時可以提高機(jī)場的服務(wù)質(zhì)量。另一方面，橋載設(shè)備的安全性問題也備受關(guān)注，機(jī)場橋載設(shè)備也曾陸續(xù)發(fā)生故障導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)載設(shè)備燒毀事件，給國家和企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。主要原因是：橋載設(shè)備的工況參數(shù)不能實(shí)時地檢測和有效地干預(yù)，從而導(dǎo)致航空安全事故。鑒于此，民航橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要針對LEACH協(xié)議[3-4]在民航橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中出現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量小、節(jié)點(diǎn)能耗高和網(wǎng)絡(luò)生命周期短等問題，提出優(yōu)化簇頭選舉機(jī)制的改進(jìn)方法，進(jìn)一步提升橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 橋載設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BLEMwsn）

橋載設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由無線感知層節(jié)點(diǎn)（SN）、現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中器（DE）、服務(wù)器以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)）集成。工作原理是：每個停機(jī)位布設(shè)50～100個固定不動的SN，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所選定的網(wǎng)絡(luò)、MAC層協(xié)議，其中傳感器類感知節(jié)點(diǎn)采集橋載設(shè)備健康和工況數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，RFID類感知節(jié)點(diǎn)采集橋載設(shè)備的使用記錄數(shù)據(jù)；多個停機(jī)位共用一臺數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器即現(xiàn)場無線感知層網(wǎng)關(guān)，無線感知層節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過單跳的方式送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器將收集所有感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中器將采集的數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由停機(jī)位LAN接入點(diǎn)和候機(jī)樓內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器；再通過服務(wù)器依據(jù)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地干預(yù)和控制，以此實(shí)現(xiàn)對機(jī)場橋載設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)和故障的實(shí)時監(jiān)控，同時還可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的無紙化管理和維護(hù)。圖1為BLEMwsn的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 BLEMwsn物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the internet of things for BLEMwsn

2 LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議的運(yùn)行過程采用了“輪”的概念，每輪次分為2個階段，即：自組織成簇階段和信息穩(wěn)定傳輸階段。自組織成簇階段的主要任務(wù)是根據(jù)簇頭選擇算法[5-7]，在所有節(jié)點(diǎn)中選擇本輪次簇頭，其他非簇頭成員按照成簇機(jī)制選擇最優(yōu)簇頭并與其通信，成簇階段所用的時間也比較短。信息穩(wěn)定傳輸階段的主要任務(wù)是進(jìn)行被監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和傳輸。LEACH協(xié)議的關(guān)鍵之一是簇頭節(jié)點(diǎn)的選取，每個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個大小在［0，1］的數(shù)，如果該數(shù)小于閾值T（n），那么該節(jié)點(diǎn)被選為簇首。閾值T（n）的公式為

式中：p為簇頭占所有節(jié)點(diǎn)的比例；r為當(dāng)前輪次；G為最近一輪中未被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。

當(dāng)簇頭選定后，簇頭節(jié)點(diǎn)通過廣播的方式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收信號的強(qiáng)度[8]來決定加入簇并反饋給簇首，從而完成簇的建立工作。在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段[9-10]，簇成員節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)，同時簇頭將對其所匯聚的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后再轉(zhuǎn)發(fā)到基站。穩(wěn)定階段保持一定的時間后，網(wǎng)絡(luò)重新開始新一輪，不斷循環(huán)下去，直到整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期[11]結(jié)束。

在原系統(tǒng)LEACH協(xié)議中，所有節(jié)點(diǎn)都有可能被選為簇頭，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的屬性按照協(xié)議的規(guī)則能及時變換。在本文研究的網(wǎng)絡(luò)需要滿足以下特征：節(jié)點(diǎn)的能量有限，消耗完不能得到補(bǔ)充；網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都是靜止的，一旦完成部署不能再移動；節(jié)點(diǎn)可以通過單跳的方式與基站直接通信；只要網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)死亡，網(wǎng)絡(luò)也因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)傳輸而宣告死亡。

3 改進(jìn)算法

3.1 簇頭選舉閾值改進(jìn)

改進(jìn)算法主要對簇頭選舉的閾值公式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，原監(jiān)控系統(tǒng)的LEACH簇頭選舉算法未能考慮節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和節(jié)點(diǎn)到基站的距離等參量因子，改進(jìn)算法把這2個參量因子加入到閾值公式中，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離基站在一定范圍內(nèi)變動時合理調(diào)整2個參量因子在閾值中的分配比例。改進(jìn)后的閾值公式為

式中：Dmax為節(jié)點(diǎn)到基站的最大距離；Dmin為節(jié)點(diǎn)到基站的最小距離；Di為節(jié)點(diǎn)到基站的距離；Ec為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量；Eave為節(jié)點(diǎn)的平均能量；A、B為參數(shù)因子。 其中：當(dāng) Di≤35 時，A=α，B=1-α；當(dāng) 35＜Di≤70 時，A=B=α/2； 當(dāng) 70＜Di≤100 時，B=α，A=1-α；此處的α取值為0.7。

修訂后算法選舉簇頭時考慮節(jié)點(diǎn)能量，盡可能選擇當(dāng)前能量高的節(jié)點(diǎn)，提高其當(dāng)選為簇頭的概率，若能量低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭，必定會加速節(jié)點(diǎn)的能量消耗，則簇頭節(jié)點(diǎn)因能量耗盡使整個簇失去通信能力，產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)；同時考慮節(jié)點(diǎn)位置因素，降低距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率，由于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時距離越遠(yuǎn)能量的消耗就越大，傳輸相同大小的數(shù)據(jù)時距離簇頭或基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量；如果其當(dāng)選后續(xù)輪的簇頭，則此節(jié)點(diǎn)也會因?yàn)槟芰亢谋M失效，這樣造成距離基站較遠(yuǎn)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)過早失效，對整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡是不利的。

3.2 基于路徑權(quán)重的成簇機(jī)制

由于LEACH協(xié)議在成簇階段對簇頭的選擇具有一定的盲目性，改進(jìn)機(jī)制考慮普通節(jié)點(diǎn)（normal node）到簇頭節(jié)點(diǎn)（cluster head）再到基站（base station）的路徑權(quán)重值。

假設(shè)1 如果把普通節(jié)點(diǎn)（N）到基站（B）的最短時延稱為最短長度，即：lmin（N，B）；普通節(jié)點(diǎn)（N）和簇頭節(jié)點(diǎn)（C）之間的鏈路用（N，C）若 lmin（C，B）≤lmin（N，B），則稱它為有效鏈路。這里將通過鏈路（N，C）到基站（B）的最短長度稱為有效鏈路長度，即：

假設(shè)2若記是與普通節(jié)點(diǎn)（N）相接的所有有效路徑的平均長度，則有效鏈路（N，C）權(quán)重為

其中，K為關(guān)聯(lián)參數(shù)，根據(jù)下游鏈路數(shù)來確定取值，通常取 3～3.5。

那么，普通節(jié)點(diǎn)（N）的權(quán)重為與節(jié)點(diǎn)相鄰接的各有效鏈路的權(quán)重之和為

對于任意路徑Sk，其路徑可靠性wsk是其所有鏈路及所有節(jié)點(diǎn)的權(quán)重之積。顯然路徑權(quán)重值越大的路徑，其路徑可靠性也就越大。

改進(jìn)的LEACH成簇算法，將分別計(jì)算普通節(jié)點(diǎn)（N）到每一個簇頭節(jié)點(diǎn)（C）再到基站（B）的路徑權(quán)重值，普通節(jié)點(diǎn)（C）選擇路徑權(quán)重值最大所在路徑的簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇，因?yàn)槁窂降臋?quán)重值越大，整個鏈路的可靠性越高，這樣可以減少數(shù)據(jù)分組重傳，降低節(jié)點(diǎn)的能耗，同時減少傳輸延時，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的吞吐量。

4 仿真與分析

4.1 仿真環(huán)境配置

運(yùn)用Matlab作為實(shí)驗(yàn)的仿真平臺，此監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域選定一個停機(jī)坪單元（200×200）的正方形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署100個無線傳感器節(jié)點(diǎn)，所有無線節(jié)點(diǎn)的形態(tài)和功能都是一樣的，每一個節(jié)點(diǎn)都有一個標(biāo)識，每個節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，無線節(jié)點(diǎn)的位置固定不變，基站的位置是固定的，最優(yōu)簇頭數(shù)百分比5%；監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功率，可以根據(jù)2個節(jié)點(diǎn)之間的距離自動調(diào)整。具體的環(huán)境配置參數(shù)如表1所示。

表1 橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境參數(shù)配置Tab.1 Simulation parameters configuration of the BLEMwsn

4.2 仿真結(jié)果分析

由仿真圖像可知：圖2表明改進(jìn)后協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在第840輪次時出現(xiàn)第一個節(jié)點(diǎn)死亡，較原監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的713輪次，使整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點(diǎn)時間推遲了17.8%，并且可以看出整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相同輪次存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目較改進(jìn)前有進(jìn)一步的提升。圖3表明改進(jìn)協(xié)議算法更有利于網(wǎng)絡(luò)能量的節(jié)約，提高了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率，使整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的能耗更為均衡，同時這種能量效率的提高對整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的生命周期有積極的意義。

圖2 網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目對比Fig.2 Comparison of alive nodes

圖3 網(wǎng)絡(luò)能量消耗對比Fig.3 Comparison of energy consumption

5 結(jié)語

本文對民航橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用低功耗的路由協(xié)議LEACH所暴露出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量小、節(jié)點(diǎn)能耗高和生命周期短等問題提出對原路由協(xié)議的簇頭選舉閾值和成簇機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，該算法在簇頭選舉階段充分考慮節(jié)點(diǎn)能量和位置2個因素在閾值中所占比重，使選舉出的簇頭對整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載更趨于均衡。在成簇階段選擇最大的路徑權(quán)重值所在路徑的簇頭加入。由仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法進(jìn)一步提升了橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的性能，增加了數(shù)據(jù)的傳輸量，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能量，延長了橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)壽命。但是本次改進(jìn)對于算法分簇后的簇成員缺少必要的睡眠機(jī)制，且數(shù)據(jù)信息傳輸只采用一跳的方式，這樣會產(chǎn)生大量的能量消耗，接下來的工作將主要針對這些方面進(jìn)行優(yōu)化。

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