面向輸電線路監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究

許昌學院電氣(機電)工程學院 張世偉

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，無論是城鎮(zhèn)居民用電，還是工業(yè)生產(chǎn)用電都在節(jié)節(jié)攀升。一旦電能供應(yīng)出現(xiàn)問題，將直接影響到人民的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟的發(fā)展。而輸電線路承擔著電能的輸送和分配的任務(wù)，在整個電網(wǎng)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，我國目前110千伏及以上的輸電線路長度已經(jīng)達到98.7萬千米，這些輸電線路長期暴露在自然條件下，要面對倒塌、沉陷、雷擊、強風、暴雨和覆冰等自然災(zāi)害的不斷侵襲，一旦輸電線路出現(xiàn)故障，將帶來非常嚴重的后果，如何及時有效的對輸電線路進行巡檢，發(fā)現(xiàn)問題，顯得至關(guān)重要。

目前，對輸電線路的監(jiān)測手段有：人工巡檢、無人機巡檢、機器人巡檢等多種方式，由于受自然條件、環(huán)境變化、機器成本等因素的制約，巡檢質(zhì)量不能得到有效地保證。近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）的不斷發(fā)展，因其具有低功耗、低成本、大規(guī)模、易部署、可靠性高等優(yōu)勢，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在輸電線路的監(jiān)測中，得到了廣泛的應(yīng)用。

本文針對輸電線路監(jiān)測對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可靠性和時延性的要求，提出了一種結(jié)合LEACH和PEGASIS的優(yōu)點的固定分簇多跳路由算法MRP-LP（A multi-hop routing algorithm based on fixed cluster and the advantages of LEACH and PEGASIS,MRPLP）。該算法考慮節(jié)點的剩余能量和相對位置進行分簇，簇內(nèi)節(jié)點通過一跳的方式直接和簇頭通信，簇間則采用和PEGASIS協(xié)議一樣的通信策略，從而實現(xiàn)均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，減少網(wǎng)絡(luò)時延，進而提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

本文所研究的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)主要由三層網(wǎng)絡(luò)組成，具體模型如圖1所示。第一層網(wǎng)絡(luò)，由無線傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點按照一定的規(guī)律部署在輸電線路上，因此網(wǎng)絡(luò)通常為長鏈狀的結(jié)構(gòu)，桿塔承載多組輸電線路，節(jié)點周期性地采集輸電線路上的信息（如溫度、濕度、震動等數(shù)據(jù)），并將采集到的數(shù)據(jù)通過一跳或者多跳的方式發(fā)送給所在簇的簇頭節(jié)點，最終由簇頭節(jié)點把數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點。第二層網(wǎng)絡(luò)，由簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點組成，簇頭節(jié)點把融合后的數(shù)據(jù)，發(fā)送給匯聚節(jié)點。簇頭節(jié)點的能量要受到自身電池容量的限制，因此需要采用一定的算法來平衡節(jié)點的能量損耗。而匯聚節(jié)點的能量不受限制，簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點通過無線的方式直接通信。第三層網(wǎng)絡(luò)，由匯聚節(jié)點和控制中心組成，匯聚節(jié)點把簇頭節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理融合之后，通過有線通信的方式（如光纖），發(fā)送給控制中心，最終實現(xiàn)對輸電線路的監(jiān)測。

2 基于固定分簇的多跳路由算法

2.1 MRP-LP協(xié)議的總體框架

本文把長鏈狀、多層的輸電線路作為研究對象，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測，提出了MRP-LP算法，該算法結(jié)合經(jīng)典LEACH協(xié)議分簇、分層傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點以及PEGASIS協(xié)議均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的優(yōu)點，綜合考慮節(jié)點的相對位置、剩余能量進行分簇，通過PEGASIS協(xié)議中令牌控制的方式，最終實現(xiàn)簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的通信。算法的具體流程如圖2所示。

圖1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 基于固定分簇的多跳路由算法流程圖

2.2 成簇階段

LEACH協(xié)議在選擇簇頭節(jié)點時，沒有考慮節(jié)點的當前剩余能量以及節(jié)點所處簇中的相對位置，極易造成某些節(jié)點的能量消耗過快，從而造成網(wǎng)絡(luò)能量分布不均或者是造成監(jiān)測上的“盲區(qū)”。針對這種問題，本文結(jié)合輸電線路長鏈狀的特點，采用固定分簇的方法，把監(jiān)測區(qū)域均勻的分成若干個區(qū)域，同時，在選擇每個簇的簇頭節(jié)點時，考慮節(jié)點的剩余能量，當節(jié)點的剩余能量大于整個簇的平均剩余能量時，才有機會成為本簇的簇頭節(jié)點。

在分簇階段，假設(shè)每個桿塔之間的距離為S米，由于網(wǎng)絡(luò)中配有GPS設(shè)備，節(jié)點能夠根據(jù)一定的算法，測算出自己的位置后，以每個桿塔作為簇的中心，傳感器節(jié)點就近加入相應(yīng)的簇，這樣就形成了一個虛擬的簇，每個簇不會隨著時間的推移而發(fā)生變化，即保持固定不變，分簇結(jié)果如圖1所示。

在選擇簇頭階段，每個節(jié)點產(chǎn)生一個0到1之間的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T(n)，且該節(jié)點的剩余能量大于本簇內(nèi)所有節(jié)點當前的平均剩余能量，則該節(jié)點向整個網(wǎng)絡(luò)廣播它是簇頭節(jié)點。T(n)的計算公式如式子(1)所示。

在式子（1）中，P是簇頭節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點中所占的比例，r是當前的輪數(shù)，G是在最后的1/P輪中還沒有成為簇頭節(jié)點的集合。

2.3 路由階段

此階段包含兩個方面，一方面是無線傳感器節(jié)點和簇頭節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，另一方面是簇頭節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。

由于傳感器節(jié)點部署在輸電線路上，呈現(xiàn)出分層、長鏈狀分布的狀態(tài)，在簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸階段，根據(jù)LEACH協(xié)議中的能量消耗模型可知，當節(jié)點之間的通信距離小于臨界值87m時，節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗最小，因此所分圓形簇的直徑為87m，也就是桿塔間距S為87m，如圖1所示。

在簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點通信階段，如果所有的簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點直接通信（匯聚節(jié)點通常部署在監(jiān)測區(qū)域之外），就會造成簇頭節(jié)點的能量急劇下降，造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量分布不均，進而影響整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因此，本文借鑒PEGASIS協(xié)議的思想，把網(wǎng)絡(luò)中所有的簇頭節(jié)點組成長鏈，簇頭節(jié)點間按照令牌控制的方法進行數(shù)據(jù)傳輸。具體方法如下：

（1）在簇內(nèi)節(jié)點向簇頭發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點會廣播自己所處的位置信息，通過計算與匯聚節(jié)點的遠近，將距離匯聚節(jié)點最遠的簇頭節(jié)點選為長鏈的“首領(lǐng)”，依據(jù)貪婪算法找到臨近的簇頭節(jié)點，使其加入到鏈中，依照此方法，剩余的簇頭節(jié)點依次加入，這樣就形成了一個由簇頭節(jié)點組成的長鏈狀網(wǎng)絡(luò)。

（2）成鏈之后，簇頭節(jié)點采用令牌控制的方法向匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸。令牌控制方式如圖3所示。

圖3 PEGASIS協(xié)議中令牌控制方法

在圖3中，假設(shè)簇頭節(jié)點C3為長鏈中的“首領(lǐng)”，當簇頭節(jié)點C1收到令牌后，簇頭節(jié)點C1把本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過融合之后，連同令牌控制信息一同發(fā)送給簇頭節(jié)點C2；簇頭節(jié)點C2收到C1發(fā)送來的信息后，把數(shù)據(jù)融合處理后，發(fā)送給“首領(lǐng)”C3；同理，簇頭C5會把信息送給C4，C4把信息傳送給C3，最終，由“首領(lǐng)”節(jié)點C3，單獨和匯聚節(jié)點進行通信。通過這種數(shù)據(jù)傳輸方式，一方面避免了所有簇頭節(jié)點遠距離向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方面實現(xiàn)了簇頭節(jié)點輪流向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，不僅大大降低了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗，而且還均衡了各個節(jié)點的能量消耗，避免某些節(jié)點頻繁地發(fā)送數(shù)據(jù)而提前死亡，進而增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 實驗仿真分析

本文通過MATLAB對MRP-LP、LEACH和PEGASIS對比進行仿真。假設(shè)輸電線路總長為2.175km，桿塔間距為87m，每個塔桿上有兩層輸電線路，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)被均勻的分為25個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格中有12個傳感器節(jié)點，節(jié)點初始能量為0.5J。分別從網(wǎng)絡(luò)生命周期和網(wǎng)絡(luò)中能量負載均衡兩個方面進行仿真，來評價MRP-LP的性能。

通過分析圖4，可以發(fā)現(xiàn)，在MRP-LP算法中，第一個節(jié)點的死亡時間明顯滯后于LEACH和PEGASIS協(xié)議，說明MRP-LP算法在進行數(shù)據(jù)傳輸時，能夠均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗，使每一個節(jié)點盡可能的均衡消耗自身的能量，避免某個節(jié)點過多的傳輸數(shù)據(jù)而提前死亡，造成監(jiān)測上的“空洞”。

圖4 LEACH、PEGASIS和MRP-LP生命周期對比圖

分析圖5，可以發(fā)現(xiàn)，MRP-LP在整個監(jiān)測時間內(nèi)，能量負載相對均衡，只是在后期，有節(jié)點死亡時，才出現(xiàn)了變化。

圖5 LEACH、PEGASIS和MRP-LP負載均衡對比圖

4 結(jié)論

本文針對長鏈狀的輸電線路，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測的方法，同時結(jié)合輸電線路監(jiān)測對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可靠性和時延性的要求，提出了一種固定分簇多跳路由算法MRP-LP。該算法在分簇階段借鑒LEACH協(xié)議分簇的思想，同時考慮節(jié)點的剩余能量，在簇間通信階段，則采用和PEGASIS協(xié)議一樣的令牌控制的方法進行數(shù)據(jù)傳輸，改進后的算法不僅均衡了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，而且還降低了網(wǎng)絡(luò)時延，最終實現(xiàn)了提高網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

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