城市綜合管廊WSN中TRF-LEACH協(xié)議的仿真研究?

周志鑫，鄭豪男，周慧敏，邵晨寧，項(xiàng) 斌，平昕怡，王思陽(yáng)，惠國(guó)華?，易曉梅，李 劍，郜園園，趙治棟

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，林業(yè)感知技術(shù)與智能裝備國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州311300；

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

如今，越來(lái)越多的高新技術(shù)被運(yùn)用整合到城市生活中。例如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)[1]，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)[2]，高速網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)等創(chuàng)新進(jìn)步都在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧?。尤其是WSN在越來(lái)越多地的領(lǐng)域大展身手[3－5]，例如城市綜合管廊監(jiān)控中。城市綜合管廊作為一種現(xiàn)代化、集約化的城市公用基礎(chǔ)設(shè)施[6]，可以有效解決城市道路反復(fù)開(kāi)挖，城市地下空間閑置浪費(fèi)和市政管道破損等問(wèn)題。它是未來(lái)智慧城市建設(shè)中不可或缺的組成部分。目前，隨著WSN和計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，無(wú)線(xiàn)監(jiān)控有望取代傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)控手段。因此，對(duì)城市綜合管廊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控成為了目前的研究熱點(diǎn)之一。

基于WSN技術(shù)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)不間斷、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、設(shè)施安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)。其中路由協(xié)議作為WSN的“大腦”。廣大學(xué)者對(duì)路由協(xié)議，進(jìn)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(lái)均衡節(jié)點(diǎn)能耗的分簇多跳路由協(xié)議(EBCRP)，該協(xié)議在選擇中繼簇頭時(shí)綜合考慮了鄰近簇頭相對(duì)自身的距離和方向，達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的[7]。胡小平等人在灰狼算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)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(yōu)化能力，改善節(jié)點(diǎn)部署[8]。吳勇等人提出了一種綜合考慮簇內(nèi)和簇間兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的協(xié)議(DEDS)，該協(xié)議在時(shí)延、分組遞交率、能耗、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)上有顯著提升[9]。謝成陽(yáng)等人提出了一種基于自適應(yīng)代表節(jié)點(diǎn)選擇的WSN數(shù)據(jù)收集方法，在保證壓縮感知數(shù)據(jù)重構(gòu)精度的同時(shí)，減少參與數(shù)據(jù)收集的節(jié)點(diǎn)數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗和數(shù)據(jù)傳輸量[10]。Tsai C W等人提出一種HHCA(Hyper-Heuristic Clustering Algorithm)算法來(lái)增強(qiáng)WSN的聚類(lèi)效果。該協(xié)議通過(guò)引入高性能的啟發(fā)式算法來(lái)尋找更好的解決方案來(lái)平衡所有傳感器的剩余能量，從而使存活傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量最大化，達(dá)到減少WSN能量消耗的目的[11]。Subha C P等提出了一種針對(duì)異構(gòu)WSN的H-CERP(Hybrid Clustering Energy aware Routing Protocol)改進(jìn)協(xié)議，通過(guò)形成比最佳估計(jì)值更少的有效簇和使用多跳傳輸手段，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)壽命和覆蓋范圍在無(wú)需額外成本的情況下更具優(yōu)勢(shì)的目的[12]。Naranjo P G等人提出了一種名為Prolong-SEP(P-SEP)的改進(jìn)協(xié)議，該協(xié)議考慮兩級(jí)節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性，采用新的簇頭競(jìng)選策略，通過(guò)平衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗來(lái)延長(zhǎng)WSN的穩(wěn)定時(shí)間[13]。

基于上述研究和現(xiàn)有的管廊研究成果－LEACH-HC協(xié)議進(jìn)行比較分析，本文嘗試將三角形節(jié)點(diǎn)部署方案和中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方案相結(jié)合，并且對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，力求構(gòu)建出更加契合城市綜合管廊要求的路由協(xié)議。于是，提出基于三角形部署的中繼轉(zhuǎn)發(fā)成簇協(xié)議(Triangle relay forwarding-LEACH)。仿真結(jié)果表明TRF-LEACH協(xié)議在針對(duì)城市綜合管廊的應(yīng)用中能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗和增強(qiáng)數(shù)據(jù)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(chēng)共同溝，主要是指在城市道路地下建造一個(gè)將電力、信息、給水、熱力和排水等多種市政公用管線(xiàn)集中敷設(shè)在同一個(gè)空間內(nèi)的建筑。以做到城市道路地下空間的綜合開(kāi)發(fā)利用和市政公用管線(xiàn)的集約化建設(shè)和管理，從而避免城市道路產(chǎn)生“拉鏈路”，提高管道維護(hù)和檢修的效率的目的[14]。其中，城市綜合管廊WSN主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)管道的監(jiān)視數(shù)據(jù)采集、傳輸，是構(gòu)成完整的自動(dòng)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)，這使得高性能的路由協(xié)議成為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)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(jié)構(gòu)的特殊性，在其區(qū)域內(nèi)部署WSN，存在諸多困難。這些特性使得各類(lèi)經(jīng)典的路由協(xié)議不能直接照搬到城市綜合管廊WSN的應(yīng)用中。所以，城市綜合管廊的這些特性在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)會(huì)成為限制協(xié)議性能的主要因素。通過(guò)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(gè)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度的建筑結(jié)構(gòu)。目前，城市綜合管廊通常與地鐵、城市干線(xiàn)和地下綜合體等工程統(tǒng)一納入城市空間規(guī)劃，形成共同化、綜合化發(fā)展的趨勢(shì)[15]。

②城市綜合管廊屬于封閉結(jié)構(gòu)。城市綜合管廊的建設(shè)不可避免會(huì)遇到各種類(lèi)型的地下空間占用問(wèn)題[16]。在前期規(guī)劃中，必須將綜合管廊與其他地下空間建設(shè)統(tǒng)籌考慮，使城市綜合管廊擁有獨(dú)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(lèi)多。在中國(guó)，城市綜合管廊尚處在發(fā)展時(shí)期，根據(jù)其斷面以及功能定位的不同，需要設(shè)計(jì)不同的管道搭配方案。文獻(xiàn)中考慮的管道類(lèi)型主要是電力、電信、供水和天然氣管道[17]?？梢詫⑵涓爬樗幚砉艿?、供熱管道、強(qiáng)電管道和弱電管道等四類(lèi)管道。

④城市綜合管廊監(jiān)控所需傳感器類(lèi)型重疊。不同地區(qū)的城市綜合管廊設(shè)計(jì)方案中，管道類(lèi)型配比是各有不同，但各個(gè)管道在需監(jiān)控參數(shù)上有大面積重疊(溫度、濕度、水位、氣體)。因此，對(duì)不同類(lèi)型的管道進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，部署的傳感器種類(lèi)是大致相同。

⑤收集相同類(lèi)型數(shù)據(jù)的傳感器可能具有不同工作頻率。在管廊監(jiān)控中，多種類(lèi)型傳感器對(duì)城市綜合管廊中管道的多種參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)控制模塊進(jìn)行處理。處理器對(duì)節(jié)點(diǎn)各部分的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，對(duì)采集的數(shù)據(jù)做統(tǒng)一化處理，再經(jīng)由通信單元中進(jìn)行傳輸。除此之外，根據(jù)不同管道的工作特點(diǎn)，傳感器的工作頻率要求也有所不同。即對(duì)傳感器電池能量?jī)?chǔ)備提出不同要求[18]。

2 TRF-LEACH路由協(xié)議

本文提出的TRF-LEACH路由協(xié)議，改進(jìn)了節(jié)點(diǎn)部署以及簇間路由方式，使之適用于長(zhǎng)距離、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)傳輸。其中，TRF-LEACH協(xié)議主要由兩個(gè)階段構(gòu)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(jié)點(diǎn)部署采用固定節(jié)點(diǎn)部署和自由隨機(jī)部署相結(jié)合的方式，然后依據(jù)能量級(jí)信息進(jìn)行分簇。最后，在路由的確定階段，劃定中繼節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍，通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)將其覆蓋范圍內(nèi)簇頭信息發(fā)送給基站。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

城市綜合管廊監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)對(duì)象為地下市政管道，傳感器節(jié)點(diǎn)安置在這些管道上。本文將研究的城市綜合管廊結(jié)構(gòu)抽象成一段長(zhǎng)矩形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)在這片區(qū)域內(nèi)按照一定的規(guī)則來(lái)傳遞信息。在管廊信息傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生隨著管道距離的延伸，節(jié)點(diǎn)間通信所產(chǎn)生的能耗也會(huì)劇增，遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息可能無(wú)法有效地傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)等一系列問(wèn)題。因此，根據(jù)管廊環(huán)境的特征，提出了具有以下特點(diǎn)的WSN模型：①部署后的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)屬于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，即基站和節(jié)點(diǎn)位置不再變化；②節(jié)點(diǎn)采用的是布爾感知模型，忽略邊界因素影響。節(jié)點(diǎn)的感知范圍和通信范圍都是理想的圓形；③區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)相互之間以及節(jié)點(diǎn)與基站之間都可以直接通信；④有且只有一個(gè)基站，位于區(qū)域幾何中心，基站具有充足的能量以及足夠的數(shù)據(jù)計(jì)算性能；⑤節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)2種類(lèi)型，中繼節(jié)點(diǎn)為高能量節(jié)點(diǎn)，且兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)都能夠進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

2.2 能耗模型

在WSN中，節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗主要取決于發(fā)送端節(jié)點(diǎn)與接收端節(jié)點(diǎn)之間的距離d。即式(1)與式(2)給出了不同距離下傳感器節(jié)點(diǎn)的接收能耗和傳輸能耗計(jì)算方式。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)的通信能耗可以分為兩部分：一部分作為支撐設(shè)備電路在傳輸和接收時(shí)處理信號(hào)所需的能量，認(rèn)為二者能耗是相等的，均為Eeleck；另一部分為傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)射頻功率放大器的能耗，該部分能耗與距離相關(guān)，在傳感器節(jié)點(diǎn)能耗中占據(jù)很大比重。當(dāng)d＜d0時(shí)，采用由空間能耗模型，其能耗為Eampkd2，當(dāng)d≥d0時(shí)，采用多路衰減模型，其能耗大大增加，為Eampkd4。發(fā)送端傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)的能耗計(jì)算公式：

接收端接收k比特?cái)?shù)據(jù)的能耗計(jì)算公式：

式中：k代表數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)；Eelec為收發(fā)電路的能耗；d是發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)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(shù)。

2.3 節(jié)點(diǎn)異構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高城市綜合管廊WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的利用率，在中央處理器能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)做統(tǒng)一化處理的基礎(chǔ)上[19]，由于管線(xiàn)和傳感器種類(lèi)的多樣性(檢測(cè)不同管線(xiàn)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(chǎn)生各類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)能量使用不均等的情況。

所以本協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)采取異構(gòu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)1.2中描述，數(shù)據(jù)格式得到統(tǒng)一處理之后，能量就成為限制WSN綜合性能的主要因素?？紤]不同傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求不同，將節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)。普通節(jié)點(diǎn)主要功能是采集管道數(shù)據(jù)和內(nèi)部競(jìng)選簇頭。而中繼節(jié)點(diǎn)擁有更多的初始能量，使其能完成高頻率數(shù)據(jù)的采集工作和覆蓋區(qū)域內(nèi)簇頭數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。但是，從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，高能量的中繼節(jié)點(diǎn)在數(shù)量上比普通節(jié)點(diǎn)少得多，同時(shí)由于管廊管壁兩側(cè)管道密集，傳感器工作頻率更高，所以中繼節(jié)點(diǎn)部署靠近管壁。

這種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型分類(lèi)方式能直觀對(duì)接綜合管廊中的能耗情況，使得在高頻率工作區(qū)域的節(jié)點(diǎn)平均能量更高，與管廊實(shí)際條件更相符合。并且這種異構(gòu)節(jié)點(diǎn)策略也為下文簇間路由打下基礎(chǔ)，使其能夠緩解多跳傳輸而產(chǎn)生的“能量空洞”問(wèn)題。本文將在2.4和2.5中討論節(jié)點(diǎn)部署策略和簇間路由改進(jìn)。

2.4 節(jié)點(diǎn)部署策略

通過(guò)分析可知，在城市管廊的類(lèi)線(xiàn)性環(huán)境中，管道的截面積相比于節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍是可以忽略不計(jì)的。所以，節(jié)點(diǎn)部署要在長(zhǎng)度延伸上充分考慮網(wǎng)絡(luò)的感知能力和通信能力，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常需要冗余的部署節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連通度和強(qiáng)覆蓋度要求。那么，即使部分節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍能保持對(duì)覆蓋區(qū)域的感知和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通。

在城市綜合管廊WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息。所以，整片管廊區(qū)域必須被有效覆蓋。但由于WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)目的有限性以及綜合管廊環(huán)境的特殊性，如果感知區(qū)域內(nèi)采用單一節(jié)點(diǎn)覆蓋，無(wú)法滿(mǎn)足整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息有效采集要求。所以有必要強(qiáng)化城市綜合管廊WSN區(qū)域的多重覆蓋。

考慮到2.3節(jié)中提出的異構(gòu)WSN中普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在傳感能力以及硬件成本上差異懸殊，所以采用靜態(tài)部署與隨機(jī)部署相結(jié)合的方法，即大量的低能量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，而對(duì)于數(shù)量較少的高能量節(jié)點(diǎn)，我們采用靜態(tài)部署策略。靜態(tài)部署主要針對(duì)解決網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程中的覆蓋漏洞問(wèn)題。由于普通節(jié)點(diǎn)在綜合管廊部署范圍內(nèi)感知面積有限，故采用高能量的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。但考慮到中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(dá)到了多重覆蓋的效果，并且文獻(xiàn)[20]指出正方形部署的覆蓋效果更好。但是，在管廊WSN設(shè)計(jì)中，高能量節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是有限的，相同覆蓋區(qū)域下采用正方形部署需要更多數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，并且隨著管線(xiàn)的延伸這種數(shù)量差距將不斷放大。而采用三角形部署同樣能完成任務(wù)，卻只需要原來(lái)66.7%的節(jié)點(diǎn)即可，所以在經(jīng)濟(jì)效益上有明顯優(yōu)勢(shì)。

考慮到高能量節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和高能量節(jié)點(diǎn)還將承擔(dān)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(jié)接下來(lái)將對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)采取三角形的部署方式進(jìn)行重點(diǎn)分析，其部署特點(diǎn)是中繼節(jié)點(diǎn)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(qū)覆蓋部署策略

如果將圖2(b)中按照三角形部署的中繼節(jié)點(diǎn)的感知半徑縮小或者將各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離擴(kuò)大必定都會(huì)造成中繼節(jié)點(diǎn)的中心出現(xiàn)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(jié)點(diǎn)構(gòu)成的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域必然大于形成的覆蓋空洞，所以在這個(gè)范圍內(nèi)部署普通節(jié)點(diǎn)就能填補(bǔ)覆蓋空缺，那么覆蓋空洞的問(wèn)題就可迎刃而解。在圖4中通過(guò)建立節(jié)點(diǎn)區(qū)域覆蓋模型對(duì)呈三角形結(jié)構(gòu)部署的節(jié)點(diǎn)間距離的進(jìn)行了定量展示，并添加一個(gè)感知半徑較小的普通節(jié)點(diǎn)解決覆蓋空洞問(wèn)題。兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)之間的覆蓋關(guān)系如下計(jì)算。

圖4 三角形部署覆蓋空洞示意圖

假設(shè)圖4所示的中繼節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑為R1，普通節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑為 R2，并且 R1＞R2，R1/R2＝k。 這里做出假設(shè) R1＝r，R2＝r/k。

所以，覆蓋區(qū)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(jù)上文節(jié)點(diǎn)設(shè)置中普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的懸殊數(shù)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(jìn)

傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)需將信息先傳遞給簇頭，再由簇頭傳遞給基站。LEACH協(xié)議的這個(gè)過(guò)程沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)傳輸距離和簇頭節(jié)點(diǎn)能耗高的問(wèn)題。而在城市綜合管廊中，由于距離的大幅度增加，必須對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分。所以，在TRF-LEACH協(xié)議中，對(duì)數(shù)據(jù)傳遞方式也做出相應(yīng)改進(jìn)。故在本文2.4節(jié)提出的三角形節(jié)點(diǎn)位置部署的基礎(chǔ)上，為了最更大程度地均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，提出根據(jù)不同簇與基站之間的距離而采取的信息中繼轉(zhuǎn)發(fā)方案。如圖5所示。其流程為：TRFLEACH協(xié)議在分簇完成后，每一個(gè)簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)將信息傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)(Cluster head)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)傳遞給覆蓋范圍內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)(Relay node)，如果某簇頭同時(shí)位于兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，則選擇距離較近的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞。然后由中繼節(jié)點(diǎn)將接收的信息傳遞給基站(Base Station)。

圖5 中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

那么，對(duì)于中繼傳輸方式的計(jì)算分析如下。設(shè)城市綜合管廊的模型長(zhǎng)為2L，寬為W，其中W?L，基站位于幾何中心?，F(xiàn)取其中一半模型進(jìn)行研究，即長(zhǎng)L，寬W，基站位于一側(cè)的部分。設(shè)在此區(qū)域內(nèi)總共部署N個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，m個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的覆蓋直徑為A，簇頭競(jìng)選概率為P。

在理想狀態(tài)下，假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)均勻分簇，則每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)覆蓋的普通節(jié)點(diǎn)(包括簇頭)數(shù)目為：

如果每個(gè)簇頭傳遞的數(shù)據(jù)量為k比特，則所有中繼節(jié)點(diǎn)接收轉(zhuǎn)發(fā)所需的總能量是

接收端：

發(fā)送端：

故：

當(dāng)管廊長(zhǎng)度延伸，部署更多的中繼節(jié)點(diǎn)，即m較大時(shí)：

所以，分析式(6)可知，中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)性能由P，A，m多個(gè)參數(shù)共同決定。

3 仿真與討論

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文使用MATLAB 2012a作為仿真平臺(tái)，對(duì)提出的TRF-LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并將其與LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC協(xié)議在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、簇頭數(shù)量和數(shù)據(jù)吞吐量等方面進(jìn)行對(duì)比。網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)各個(gè)參數(shù)

3.2 性能分析

在設(shè)計(jì)本文WSN之前，我們依據(jù)管廊的需求和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了LEACH-HC協(xié)議。但是LEACH-HC協(xié)議在生命周期完整性和協(xié)議穩(wěn)定性上還有所不足，我們針對(duì)上述兩個(gè)方面的不足做了改進(jìn)，提出TRFLEACH協(xié)議。盡管TRF-LEACH協(xié)議在延展性方面LEACH-HC協(xié)議相比還稍有欠缺，但是能夠保障生命周期完整性和協(xié)議穩(wěn)定性上的要求。所以，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì) LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC協(xié)議以及TRF-LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

圖 6是對(duì)于 LEACH，SEP，M-LEACH、LEACHHC和TRF-LEACH等5種協(xié)議第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間的比較。除M-LEACH外，其他4種協(xié)議在前150輪中均沒(méi)有節(jié)點(diǎn)死亡。在此之后，LEACH協(xié)議第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)分別出現(xiàn)在281輪。SEP協(xié)議第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)分別出現(xiàn)在197輪。LEACHHC協(xié)議第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)則出現(xiàn)在384輪。而TRF-LEACH協(xié)議第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在738輪，相比于LEACH-HC協(xié)議的第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間，延遲了92%。所以說(shuō)，TRF-LEACH協(xié)議有效地延遲了第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間。有趣的是，雖然SEP協(xié)議在節(jié)點(diǎn)平均能量上高于LEACH協(xié)議，但第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)反而較LEACH協(xié)議早84輪出現(xiàn)。究其原因，這是由于SEP協(xié)議節(jié)點(diǎn)異構(gòu)化后沒(méi)有對(duì)分簇策略做出相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致在長(zhǎng)矩形系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)能耗更加不均，出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡的現(xiàn)象。另外，由于M-LEACH協(xié)議采用中繼傳輸，中繼節(jié)點(diǎn)能量有限卻擔(dān)當(dāng)重任，死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間很早。另一方面，從死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)趨勢(shì)上講，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)之后，LEACH協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)死亡速度最快。SEP和M-LEACH協(xié)議則延續(xù)了較長(zhǎng)的生命周期。但TRF-LEACH協(xié)議同它們相比，生存周期更是提升了51%以上。由于TRFLEACH協(xié)議死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間大幅度延遲和生命周期較長(zhǎng)，所以TRF-LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)完整性時(shí)間大幅度超出其他協(xié)議。

所以，無(wú)論從網(wǎng)絡(luò)完整性還是從第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間方面考慮，TRF-LEACH協(xié)議都明顯優(yōu)于LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC協(xié)議。

圖6 網(wǎng)絡(luò)生存周期比較圖

圖 7是在 LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC和TRF-LEACH等5種協(xié)議在運(yùn)行1 000輪情況下，進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比圖。圖7中信息傳遞出在100次仿真實(shí)驗(yàn)中，LEACH協(xié)議僅有7次還有節(jié)點(diǎn)存活，且存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量少于2%。SEP和M-LEACH協(xié)議剩余的死亡的節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過(guò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的60%，網(wǎng)絡(luò)完整性遭到嚴(yán)重破壞，且M-LEACH和LEACH-HC的穩(wěn)定性存在不足，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量波動(dòng)區(qū)間達(dá)到30。而TRF-LEACH協(xié)議在運(yùn)行1 000輪后，平均死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目為16.97個(gè)，相較于SEP和M-LEACH協(xié)議提升50%以上，網(wǎng)絡(luò)的生命得到有效延長(zhǎng)。同時(shí)，在協(xié)議穩(wěn)定性方面得到改善，死亡節(jié)點(diǎn)波動(dòng)區(qū)間下降到20左右。所以，在5種協(xié)議中，TRF-LEACH協(xié)議的有效生命周期高于另外3種協(xié)議一倍以上，且與LEACH-HC協(xié)議相比穩(wěn)定性提升34%以上。

圖7 死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)比圖

圖8 展現(xiàn)的是簇頭數(shù)量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，圖中一個(gè)點(diǎn)是每100輪產(chǎn)生的簇頭節(jié)點(diǎn)的平均值。由圖8可知，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中TRF-LEACH協(xié)議的簇頭總數(shù)大于其他3種協(xié)議。運(yùn)行到500輪左右時(shí)，SEP協(xié)議的簇頭數(shù)量超過(guò)LEACH協(xié)議。運(yùn)行到830輪左右時(shí)，M-LEACH的簇頭數(shù)量超過(guò)LEACH。其中LEACH協(xié)議的簇頭數(shù)目曲線(xiàn)下降最快，而TRF-LEACH協(xié)議的簇頭總數(shù)始終明顯高于其他3種協(xié)議簇頭數(shù)目。TRF-LEACH協(xié)議保證了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，充分有效緩解簇頭節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載過(guò)大而過(guò)早死亡的問(wèn)題。其原因在于TRFLEACH協(xié)議考慮中繼節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，使得簇頭的區(qū)域劃分更合理，網(wǎng)絡(luò)能耗更加均衡。

圖8 簇頭數(shù)量與時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

圖9 顯示了4種協(xié)議在1 000輪實(shí)驗(yàn)內(nèi)，基站接收數(shù)據(jù)總量的變化(時(shí)間以輪次表示)。由圖9中可知LEACH和SEP協(xié)議在數(shù)據(jù)吞吐能力上十分相近，SEP的異構(gòu)設(shè)置對(duì)提升協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸能力提升有限。而M-LEACH則在運(yùn)行前期吞吐能力較強(qiáng)，但在525輪之后，TRF-LEACH協(xié)議的傳輸總量超過(guò)M-LEACH協(xié)議。其中，在 0～1 000輪范圍內(nèi)TRF-LEACH協(xié)議數(shù)據(jù)吞吐量近似于線(xiàn)性增長(zhǎng)，而其他3種協(xié)議都有不同程度的滯緩。在1 000輪的實(shí)驗(yàn)中TRF-LEACH協(xié)議的吞吐總量是M-LEACH吞吐總量的147.6%，是LEACH和SEP協(xié)議的10倍左右。

圖9 基站接收數(shù)據(jù)量

4 總結(jié)

本文針對(duì) LEACH、SEP、M-LEACH和LEACHHC協(xié)議在城市綜合管廊中產(chǎn)生的各類(lèi)問(wèn)題，提出基于三角形部署和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的TRF-LEACH協(xié)議。該協(xié)議引入三角形部署，以實(shí)現(xiàn)多重覆蓋，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋性，均衡節(jié)點(diǎn)密度。并且在綜合考慮節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)和空間分布的情況下引入中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式，均衡了各節(jié)點(diǎn)間的能量消耗速度，解決了節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡和覆蓋漏洞問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TRF-LEACH協(xié)議有效地均衡了節(jié)點(diǎn)能量消耗、延長(zhǎng)了WSN生命周期、改善了數(shù)據(jù)吞吐能力。