基于二分法的多移動sink柵格數(shù)據(jù)收集協(xié)議?

魏艷婷 張玉霞 李道全

（青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 青島 266033）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）作為新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，因其節(jié)點分布面積廣、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅軓?、自組織網(wǎng)路［1］等特點，在智能家居、醫(yī)療、軍事、農(nóng)林牧業(yè)、地震監(jiān)測等領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)。一些發(fā)達(dá)國家非常重視WSNs的發(fā)展，其中IEEE也在推進WSNs的發(fā)展。但是現(xiàn)存的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點分布廣泛，節(jié)點能量［2］有限且傳輸數(shù)據(jù)需要多跳轉(zhuǎn)發(fā)，這大大限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在日常生活中的應(yīng)用。為提高網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)的效率，延長網(wǎng)路生存周期［3］，部分學(xué)者提出使用移動sink節(jié)點［4～9］進行數(shù)據(jù)收集，文獻［10］采用二分法設(shè)定sink節(jié)點的移動軌跡，但是在收集過程中簇頭直接進行發(fā)送數(shù)據(jù)使得簇頭節(jié)點過早死亡；文獻［11］將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個相等的柵格，每個柵格的中心為sink節(jié)點移動和停留的點，雖然多個移動sink提高數(shù)據(jù)收集的效率，但是多個sink節(jié)點的移動規(guī)則復(fù)雜，容易收集到冗余的數(shù)據(jù)。結(jié)合移動sink節(jié)點和柵格分區(qū)域［12］的優(yōu)勢，提出使用固定sink和多個移動sink［13］相結(jié)合，劃分網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，并在簇頭之間生成最短徑樹［14］等方式來提高WSNs收發(fā)數(shù)據(jù)的效率，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量均衡。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為M*M的矩形區(qū)域，其中隨機分布N個不可移動節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中有一個固定sink和多個移動sink節(jié)點。除了sink節(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中的其余節(jié)點初始能量均相等，sink節(jié)點可以隨時補充能量。其中，網(wǎng)絡(luò)中劃分的網(wǎng)格區(qū)域的總數(shù)Csum由N決定，如式（1）所示。

在WSN中，各個區(qū)域的邊長為Cl，如式（2）所示。

依據(jù)式（1）和式（2），網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域劃分如圖1所示，區(qū)域中隨機分布N個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，固定sink節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的中心。

圖1 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分

在網(wǎng)絡(luò)工作中，采用Heinzelman模型［10］作為耗能計算依據(jù)，具體形式如式（3）所示。

式（3）中，l的單位是bit，指節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度；εfs和εmp指節(jié)點間不同距離的功率放大系數(shù)，Eelec指節(jié)點內(nèi)每單位數(shù)據(jù)處理消耗能量；dij指兩個節(jié)點之間的距離大小，用式（4）表示，d0表示一個閥值，用式（5）表示，節(jié)點i到節(jié)點j接收數(shù)據(jù)過程消耗能量如式（6）所示：

3 多移動sink軌跡設(shè)計

在WSNs中使用移動sink節(jié)點收集數(shù)據(jù)［15～17］已經(jīng)成為當(dāng)前熱點，而移動sink的運行軌跡［18］更是關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)效率。本文采用二分法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積大小，以a-b-c-d為運行軌跡，劃分為大小相等的S1和S2兩部分，4個移動sink同時在兩個區(qū)域的交匯軌跡以一定的速度進行移動，網(wǎng)絡(luò)邊緣與移動軌跡交匯點a，b，c，d的坐標(biāo)依次為（0，M/2），（M/2，M），（M，M/2），（M/2，0）。

在移動sink節(jié)點以一定的速度移動至交匯點時，就完成了一次數(shù)據(jù)收集，隨后計算每個區(qū)域的節(jié)點存活率，當(dāng)S1區(qū)域的存活率ξ＜ε時，那么移動sink改變移動軌跡，沿著a1-b1-c1-d1移動，否則多個移動sink會同時以同樣的速度沿反方向的軌跡移動。

圖2 多移動sink移動軌跡

判斷節(jié)點是否存活主要依據(jù)的是sink節(jié)點是否接收到其發(fā)送的數(shù)據(jù)，存活率計算公式如式（7）所示。

式（7）中，αi表示在S1區(qū)域內(nèi)節(jié)點的存活數(shù)量，ns1表示本輪收集數(shù)據(jù)初始時的節(jié)點總數(shù)。

4 GCPDMM協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)分成許多面積相等的區(qū)域后，在每個區(qū)域按照Leach協(xié)議［19］進行分簇，分簇后，區(qū)域中的簇頭之間根據(jù)Dijkstra算法［14］形成最短徑樹，那么祖先節(jié)點就成為區(qū)頭來收集每個簇頭的事件，在移動sink經(jīng)過時將融合后的信息發(fā)送給sink節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分簇并形成最短徑樹過程如圖（3）所示，圖中的節(jié)點表示分簇后的簇頭節(jié)點，主要介紹簇頭之間根據(jù)距離sink節(jié)點遠(yuǎn)近選出區(qū)頭，從而形成最短徑樹的過程。

圖3 數(shù)據(jù)收集過程圖

其中，數(shù)據(jù)收集規(guī)則主要為，找到距離固定sink節(jié)點或移動sink節(jié)點軌跡最近的簇頭作為區(qū)頭，直接將收集的興趣事件發(fā)送給固定sink或在該軌跡移動的sink節(jié)點，如果兩段距離相等，則隨機選取其一。同時，在sink節(jié)點移動的過程中，達(dá)到發(fā)送數(shù)據(jù)距離的區(qū)頭會將信息發(fā)送給sink節(jié)點，未達(dá)到發(fā)送數(shù)據(jù)距離的區(qū)頭則處于睡眠狀態(tài)。

5 仿真實驗結(jié)果與分析

本文使用MatlabR2014a進行仿真實驗，在200*200的區(qū)域內(nèi)隨機分布400個節(jié)點進行仿真，每個節(jié)點的初始能量為0.5J，分別在節(jié)點存活率和能量消耗方面對比LEACH算法［20］和MMBCD協(xié)議進行對比。

在表1中，GCPDMM協(xié)議在不同時段節(jié)點存活率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同時段的Leach協(xié)議，因為在GCPDMM協(xié)議中，同時使用多個移動sink進行數(shù)據(jù)收集，所以節(jié)省了簇頭通過多跳的形式傳送給距離較遠(yuǎn)的sink的能量，故節(jié)點會剩余較多能量從而存活更久的時間。

表1 節(jié)點存活率比較

圖4顯示了節(jié)點在不同時間段總能量的消耗情況，由于GCPDMM協(xié)議中固定sink和多個移動sink節(jié)點同時收集數(shù)據(jù)且在移動sink為到達(dá)的情況下，發(fā)送消息的簇頭節(jié)點處于休眠狀態(tài)等原因，GCPDMM協(xié)議的能量消耗大大低于Leach協(xié)議，實現(xiàn)了延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

圖4 能量消耗對比

6 結(jié)語

本文結(jié)合二分法、網(wǎng)絡(luò)柵格分區(qū)、固定sink和移動sink節(jié)點相結(jié)合以及最小徑樹等方法進行數(shù)據(jù)收集，在WSNs能量消耗和節(jié)點存活時間等方面有明顯的改進，同時多個sink節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)收集也能減少網(wǎng)絡(luò)延遲，提高整個網(wǎng)絡(luò)的工作效率。由于移動sink節(jié)點成為WSNs熱點問題，所以更好地利用移動sink成為時下解決網(wǎng)絡(luò)問題更好的選擇。