大壩廊道無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點布局優(yōu)化*

陳 娟， 徐 蒙， 周 怡， 李鳳玲

(1.湖南科技大學 海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 湘潭 411201;2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；3.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410076)

0 引 言

近年來地下工程智能化、數(shù)字化施工發(fā)展迅速，計算機技術(shù)、無線網(wǎng)絡技術(shù)在該領(lǐng)域得到廣泛應用[1,2]。大壩灌漿廊道和平洞通常分布在壩體內(nèi)，沿壩高設置一層或多層，有縱向和橫向兩種，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境復雜。因此，如何在灌漿廊道狹長、多分叉的環(huán)境下，實現(xiàn)有效的無線信號傳輸與處理是實現(xiàn)廊道灌漿數(shù)據(jù)智能化傳輸亟待解決的問題。研究證明，不同的節(jié)點鋪設方案對信號傳輸影響很大， 李敬兆[3]給出了應用于狹長空間的無線感知節(jié)點定位算法，同時對狹長空間的錨節(jié)點布置方法進行了研究，給出一種較優(yōu)的錨節(jié)點布置策略， Wu D等人[4]提出了一種面向地下煤礦巷道的全局路由選擇算法。Bendigeri K Y等人[5]研究了不同節(jié)點布局方法對網(wǎng)絡能耗的影響。

大量研究結(jié)果表明，無線網(wǎng)絡傳輸效率受多因素影響，嚴斌亨等人[6]提出了一種基于能量和連通度的 LEACH(LEACH-EC) 算法，避免了低能量和低連通度節(jié)點擔任簇頭的可能性。王靈矯等人[7，8]提出了一種基于權(quán)值的簇頭選取LEACH改進協(xié)議，在選取簇頭節(jié)點時綜合考慮節(jié)點的剩余能量、距離、節(jié)點成為簇頭的次數(shù)以及偵聽密度，優(yōu)化簇頭節(jié)點選取策略延長網(wǎng)絡生命周期。目前，基于狹長通信區(qū)域的節(jié)點布置研究已有很多成果，但無線信號傳輸過程中受環(huán)境噪聲因素的影響很大，且不同環(huán)境對不同的分簇策略及參數(shù)影響不同，對于灌漿廊道狹長、多分叉且具有復雜施工環(huán)境的通信條件，難以借鑒以上方法。

本文擬通過分析各種因素對接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)信號在灌漿廊道中傳輸特性影響，研究復雜廊道無線傳感器節(jié)點布局方法，構(gòu)建覆蓋率和能耗均衡雙重優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復雜灌漿廊道條件下有效的無線信號傳輸與處理。

1 LEACH協(xié)議分析

由于廊道位于壩址內(nèi)、兩岸山體內(nèi)部或者河床底部，廊道無線通信節(jié)點需要克服信號穿越地層或者混凝土壩體信號強度快速衰減的影響，才能保證廊道無線通信順暢，傳統(tǒng)的廊道無線通信方法，通常通過減少單位時間內(nèi)節(jié)點能量的供應，或者通過增加廊道無線通信節(jié)點數(shù)量，以保證節(jié)點有足夠的能力應對廊道無線信號衰減的影響，但難以實現(xiàn)了網(wǎng)絡性能的最優(yōu)化，大量節(jié)點工作勢必造成互相之間的信號干擾以及通信協(xié)議的沖突，簇頭節(jié)點選取的難度相應提高，同時，節(jié)點能量下降會使通信效率下降。因此，本文擬基于LEACH協(xié)議[9,10]采用適量節(jié)點構(gòu)造節(jié)點密度與數(shù)據(jù)傳輸效率最優(yōu)化的網(wǎng)絡，構(gòu)建合理的無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡布局。

1.1 網(wǎng)絡能耗分析

本文忽略節(jié)點在儲存、運輸過程中所消耗的能量，采用經(jīng)典的能量消耗模型計算單個無線傳感器節(jié)點傳輸l bit信息經(jīng)過距離d所消耗的能量

(1)

ER(l)=lEelec

(2)

1.2 簇頭選取策略

經(jīng)典LEACH算法，簇頭分蔟是隨機的，對簇頭的布局沒有做出規(guī)劃，因此，很容易出現(xiàn)簇頭集中分布，或者簇頭分布于網(wǎng)絡邊緣的情況。大壩廊道中的無線網(wǎng)絡主要功能為接收灌漿控制參數(shù)以及發(fā)送灌漿監(jiān)測數(shù)據(jù)，如實時灌漿壓力、水灰比、抬動值等，其對網(wǎng)絡的連通性能要求較高，正三邊形布局具有最高的連通度，并且其幾何特性較適宜于大壩廊道這種狹長環(huán)境。

Seffe=πr2-Srep

(3)

式中Seffe為節(jié)點有效覆蓋面積，Srep為節(jié)點重疊網(wǎng)絡覆蓋面積，節(jié)點的有效覆蓋面積率為節(jié)點有效覆蓋面積與節(jié)點覆蓋面積的比值，即

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通過計算蔟內(nèi)各節(jié)點的有效覆蓋面積，求得蔟內(nèi)最大有效覆蓋面積和各蔟最大有效覆蓋面積率，實現(xiàn)蔟內(nèi)節(jié)點的合理布局。

考慮到簇頭要與Sink節(jié)點和基站進行通信，同時遠距離通信傳輸數(shù)據(jù)受多徑衰落影響，能量消耗大，節(jié)點能量與網(wǎng)絡壽命有關(guān)，為了盡可能地最大化網(wǎng)絡壽命，減少不必要通信開銷，提髙消息傳輸?shù)乃俾剩谶M行簇頭選擇時，要考慮節(jié)點的剩余能量。

整個網(wǎng)絡的平均能量可表示為

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式中Eavg為整個網(wǎng)絡平均剩余能量，Ere為節(jié)點剩余能量。N為網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)量，i為節(jié)點總數(shù)。

因此，當節(jié)點成為簇頭后，僅向周圍最佳通信距離范圍內(nèi)的節(jié)點廣播成為簇頭的信號，而不是覆蓋整個網(wǎng)絡。簇頭未收到其他簇頭的廣播信息，則成為最終簇頭；反之，則比較該蔟頭與其他節(jié)點的剩余能量，鄰居節(jié)點距離和到基站的距離，在當前蔟各因素權(quán)值確定情況下，如果當前簇頭剩余能量小于廣播中簇頭能量，鄰居節(jié)點距離和到基站的距離較遠，則本周期內(nèi)放棄成為簇頭，若自身剩余能量大于廣播中簇頭能量，鄰居節(jié)點距離和到基站的距離較近，則成為最終簇頭。根據(jù)上述分析，節(jié)點成為簇頭的概率采用下式進行計算

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式中P為簇頭節(jié)點在傳感器網(wǎng)絡所有節(jié)點中所占百分比的期望值；r為當前選舉的輪數(shù)；G是在最近1/p輪中沒有當選過簇頭的節(jié)點集合。Ere為節(jié)點剩余能量；Eavg為整個網(wǎng)絡平均剩余能量；EPT為上一周期節(jié)點能量消耗；D為當前節(jié)點與鄰居節(jié)點的距離，d為節(jié)點到基站的距離。優(yōu)先選擇離基站、鄰居節(jié)點較近、剩余能耗較大的節(jié)點作為簇首，能夠減少簇首節(jié)點與基站通信時的能量消耗，有利于網(wǎng)絡的能量均衡和延長網(wǎng)絡的生命周期。

1.3 權(quán)重的確定

在RSSI向量中，可通過提取RSSI測量的不同方差計算權(quán)值。簇頭的選擇，不僅與各因素有關(guān)，還與各因素的權(quán)重有關(guān)，網(wǎng)絡各因素由網(wǎng)絡狀態(tài)決定。權(quán)重由各屬性的相對重要程度和簇頭選擇變化頻率決定，本文考慮3個因素，平均剩余能量的比值，同一蔟內(nèi)鄰居節(jié)點距離、簇頭節(jié)點到基站的距離。

將3個因素歸一化，得到第a個節(jié)點的第b個屬性為

(7)

式中 1?a?N,1?b?N，N為可選擇的簇頭數(shù)量。maxM、minM分別為b屬性取值范圍的最大值、最小值。然后確定權(quán)值ω，設有k個節(jié)點可以進行選擇，則加權(quán)決策矩陣為

(8)

第a個節(jié)點加權(quán)屬性值

(9)

在簇頭選舉過程中，選擇加權(quán)值最大的節(jié)點成為簇頭。

廊道空間變化或者廊道換層對網(wǎng)絡環(huán)境影響較大，不同的網(wǎng)絡環(huán)境,各因素對簇頭選舉的影響不同，通常在初始能量相同的網(wǎng)絡中，距離比重影響較大，則可以減小成簇概率中剩余能量所占的比重，以保證簇首選擇的優(yōu)化。如果節(jié)點分布比較集中，則可以減小能量比重，凸顯節(jié)點的剩余能量，使剩余能量越大的節(jié)點擁有更高的成簇概率。

因此確定權(quán)值大小時，設蔟內(nèi)各節(jié)點中差異較大的因素對簇頭選擇影響要大于差異小的因素，則根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境變化而得出的權(quán)重向量為

(10)

(11)

簇頭節(jié)點確定以后，向全網(wǎng)廣播其成為簇頭的消息，在簇頭有效覆蓋面積內(nèi)的節(jié)點，或者通信范圍內(nèi)的節(jié)點，按照以上各因素的影響，計算加入哪一蔟，并把自己的信息發(fā)送給簇頭，簇頭收集完蔟內(nèi)節(jié)點消息后，確定成蔟各節(jié)點，分簇完成。

2 簇頭節(jié)點布局設計

廊道內(nèi)節(jié)點分簇完成以后，需要對簇頭的位置進行進一步優(yōu)化，尤其是當簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)較多時，簇頭位置顯得尤為重要。一方面簇頭要收集蔟內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)，另一方面要將數(shù)據(jù)融合處理發(fā)送到遠端的Sink節(jié)點，傳輸數(shù)據(jù)量大，需要消耗能量增加，為了減輕能耗負擔，在蔟內(nèi)節(jié)點密度大的情況下，可以通過再次優(yōu)化簇頭節(jié)點位置，平衡網(wǎng)絡負載。

蔟內(nèi)節(jié)點根據(jù)簇頭信號的強弱決定加入位置最近的簇，因廊道內(nèi)存在分叉區(qū)域，形成的蔟節(jié)點分布形狀不規(guī)則，網(wǎng)絡通信過程中，距離較遠的節(jié)點和簇頭節(jié)點能量消耗過快，通信時間加長后，節(jié)點生命壽命將減少，因此，為了更好的規(guī)劃節(jié)點剩余能量分配，通過最小二乘法估計簇頭位置，實現(xiàn)蔟內(nèi)系欸但通信距離優(yōu)化設計，進而均衡網(wǎng)絡能耗。

設定n個節(jié)點的坐標為(xi,yi)，其中i=1, 2,…,n，待定位的簇頭節(jié)點的坐標為B=[x,y]T，蔟內(nèi)節(jié)點到待定位節(jié)點的距離分別為d1,d2,…,dn，則有

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用向量表示為

BX=C

(13)

使用最小二乘估計簇頭節(jié)點的坐標為

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3 試驗仿真

以云南某電站大壩廊道注漿通信節(jié)點鋪設為例，對改進后的LEACH協(xié)議和經(jīng)典LEACH協(xié)議進行了對比。實驗對協(xié)議的能量消耗、網(wǎng)絡生存時間和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量進行了對比。運用所提出的節(jié)點部署策略，對廊道內(nèi)節(jié)點位置進行優(yōu)化。無線傳感器節(jié)點檢測系統(tǒng)選用CC2430芯片，該芯片是基于ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)芯片，使用8051微處理器內(nèi)核，集成了無線通信模塊，接收信號強度值可以從CC2430內(nèi)置接收信號強度指示器RSSIL.RSSI_VAL讀出。無線傳感網(wǎng)絡由100個初始能量為5 J的傳感器節(jié)點構(gòu)成，其中，電路能耗Eelec=50 nJ/bit，自由空間模型放大倍數(shù)εfs=10 pJ/bit/m2，多路徑衰減模型放大倍數(shù)εmp=0.001 3 pJ/bit/m2，臨界距離dT=10 m，網(wǎng)絡區(qū)域為5 m×200 m，輪詢時間為20 s。

為了更加直觀地了解廊道環(huán)境對信號的影響，試驗在具有分岔結(jié)構(gòu)的廊道內(nèi)進行，試驗廊道寬5 m、高2.6 m，根據(jù)廊道實際結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場環(huán)境，計算廊道面積，在節(jié)點允許分布范圍內(nèi)連續(xù)布置信號強度值監(jiān)測點。從圖1中可以看出經(jīng)典LEACH算法出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點的輪數(shù)為166，本文提出的LEACH算法出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點的輪數(shù)為275，相對于經(jīng)典算法延后了109輪；經(jīng)典算法在166～483輪之間存活節(jié)點下降速度非常快，在483輪時，存活節(jié)點降到最低，本文提出的LEACH算法在709周期時存活節(jié)點下降速度逐漸加快，在990輪降到最低；這表明本文提出的方法在通信時間相同的情況下，網(wǎng)絡環(huán)境中存活的節(jié)點數(shù)明顯高于經(jīng)典LEACH協(xié)議，且降低了節(jié)點能量消耗，有效提升網(wǎng)絡的壽命周期。

圖1 網(wǎng)絡剩余節(jié)點數(shù)統(tǒng)計

從圖2中可知，在網(wǎng)絡工作時間為400輪時，本文提出的LEACH-M協(xié)議的能量消耗比經(jīng)典LEACH協(xié)議降低了42.85 %左右；在網(wǎng)絡工作壽命的后半段(680輪左右)時，能量消耗降低了大約14.28 %。從整個工作的時間來說，改進后的LEACH-M協(xié)議明顯減低了網(wǎng)絡的能量消耗，提高了網(wǎng)絡的能量利用率,有效的增加了網(wǎng)絡的生命周期。

由于文中采用距離和能耗權(quán)重分簇策略并結(jié)合覆蓋率對通信半徑進行優(yōu)化，改進的LEACH算法在選擇簇頭節(jié)點時綜合考慮了節(jié)點剩余能量與節(jié)點距離使得遠離基站的節(jié)點具有較小的通信半徑，靠近基站的節(jié)點具有較大的通信半徑，實現(xiàn)了網(wǎng)絡能量的均衡消耗。

圖2 網(wǎng)絡總能耗對比

圖3仿真比較了兩種協(xié)議在工作過程中傳輸給基站的數(shù)據(jù)量。

圖3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量對比

從圖中可明顯看出，在網(wǎng)絡運行前半部分時間，本文提出的方法比經(jīng)典LEACH協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸量提高了58.15 %，到網(wǎng)絡運行時間的后半段，本文提出的方法數(shù)據(jù)傳輸量均衡上升，數(shù)據(jù)傳輸量最大值為47 509，相比于經(jīng)典LEACH數(shù)據(jù)傳輸量最大值為23 856，提高了99.14 %，因此，可以得出本文提出的協(xié)議使整個網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)較合理，節(jié)點的能量消耗均衡，在相同的時間內(nèi)可以傳送更加全面完整的數(shù)據(jù)供基站調(diào)度使用，無線傳感器網(wǎng)絡可靠性、穩(wěn)定性提高。

4 結(jié) 論

結(jié)合工程試驗對經(jīng)典LEACH算法與本文提出的的LEACH算法在網(wǎng)絡剩余存活節(jié)點、網(wǎng)絡總體能量消耗、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸率三個方面進行了對比分析，結(jié)果表明本文提出的方法適用于灌漿廊道狹窄、多分叉的通信環(huán)境。