無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種高能效數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化算法*

楊艷琦

（西安培華學院教務管理中心，陜西 西安 710125）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs，Wireless Sensor Networks）是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，從而獲得詳細準確的信息，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為對21世紀具有巨大影響力的技術(shù)之一[1]。無線傳感器節(jié)點具有數(shù)量龐大、體積微小、通信和計算能力弱、電源能量有限且無法彌補、能量異構(gòu)等特點[2]。

傳感器節(jié)點計算所消耗的能量要遠遠小于數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，網(wǎng)內(nèi)查詢處理成為提高網(wǎng)絡(luò)壽命的重要手段，其核心手段就是采取數(shù)據(jù)聚合技術(shù)來盡可能地減少數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，利用節(jié)點對數(shù)據(jù)的預處理，可以減少消息傳送的數(shù)量或者大小，從而實現(xiàn)能量的有效利用。數(shù)據(jù)聚合是WSNs中實現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)，通過去除冗余的數(shù)據(jù)信息，減少網(wǎng)絡(luò)的通信量，提高能量的有效性[3-6]。

分簇算法主要是選擇簇頭以及更好地使用簇頭節(jié)點對收集到的數(shù)據(jù)進行處理然后轉(zhuǎn)發(fā)至Sink節(jié)點，這里如果不對簇頭節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)進行聚合處理的話，簇頭節(jié)點會很快地消耗掉能量，導致網(wǎng)絡(luò)的負載不均衡。通過對LEACH算法[5]進行仿真，如果簇頭不進行數(shù)據(jù)聚合而直接收集轉(zhuǎn)發(fā)的話，在網(wǎng)絡(luò)運行一定輪數(shù)之后會發(fā)現(xiàn)很多節(jié)點的剩余能量很低。

1 最優(yōu)數(shù)據(jù)通信鏈路構(gòu)建算法

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

為了更好地表述所提算法，在這里對網(wǎng)絡(luò)作以下假設(shè)：

1）在正方形區(qū)域內(nèi)隨機部署N個同構(gòu)節(jié)點，節(jié)點布置好之后不再移動；

2）每個節(jié)點具有相同的通信半徑；

3）鄰居節(jié)點信息可知；

4）節(jié)點的初始能量相同；

5）節(jié)點具有壓縮數(shù)據(jù)功能；

6）Sink節(jié)點位置可調(diào)；

7）網(wǎng)絡(luò)運行一輪更新一次；

8）只有一種類型的攻擊節(jié)點。

本研究的能耗模型同LEACH，假設(shè)一個節(jié)點傳輸l比特的能耗是：

一個節(jié)點接收lbits比特的能耗是：

其中，εfs代表自由空間下單位距離傳輸數(shù)據(jù)的放大器能耗，Eelec代表節(jié)點收發(fā)一個單位數(shù)據(jù)包消耗的單位能量，l代表單位數(shù)據(jù)包的大小，εmp代表多路衰減模型下單位距離傳輸數(shù)據(jù)的放大器能耗。

1.2 分簇模型

在簇頭節(jié)點的選擇中，LEACH算法根據(jù)提前設(shè)置好的概率隨機選擇網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點成為簇頭節(jié)點，本研究在簇頭節(jié)點選擇時綜合考慮節(jié)點的剩余能量、節(jié)點可通信節(jié)點的數(shù)量以及節(jié)點離Sink節(jié)點的距離。首先根據(jù)以上幾種考慮因素計算每個節(jié)點作為簇頭候選節(jié)點的值，然后在滿足最大連通子圖占比90%的條件下從候選簇頭節(jié)點中，按照候選值從高到低依次選擇合適的候選簇頭節(jié)點成為真正的簇頭節(jié)點。

假設(shè)簇頭節(jié)點的候選集合Cadidate_CH{ }，簇頭節(jié)點集合List CH{ }，對于任意的一個節(jié)點vi，ERemain-i表示vi節(jié)點的剩余能量，EInitial代表網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的初始能量，Degmax表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信最多的節(jié)點數(shù)，Degi表示節(jié)點vi可通信的節(jié)點數(shù)。

計算vi節(jié)點作為簇頭的候選值：

其中α，β表示大于零的參數(shù)，滿足α+β=1。

1.3 混合數(shù)據(jù)通信模型

分簇完成之后，網(wǎng)絡(luò)基于上述最大覆蓋、最小能耗問題構(gòu)建了本研究提出的最優(yōu)數(shù)據(jù)通信鏈路構(gòu)建算法。按照上述方法對網(wǎng)絡(luò)進行分簇處理之后，接下來構(gòu)建每一個簇頭節(jié)點到Sink節(jié)點的路徑。為了降低算法的復雜，使簇內(nèi)的通信為單向直接通信，即成員節(jié)點直接將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點。簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳完之后，簇頭節(jié)點此時需要將數(shù)據(jù)傳送給Sink節(jié)點，研究者經(jīng)常采取以下三種方法：1）Sink節(jié)點使用貪婪算法構(gòu)建到簇頭的多跳路徑，路徑中只有簇頭節(jié)點；2）Sink節(jié)點使用貪婪算法構(gòu)建到簇頭的多跳路徑，路徑中只有非簇頭節(jié)點，所有簇頭節(jié)點均為葉子節(jié)點，不再作為中繼節(jié)點；3）混合路徑，構(gòu)建簇頭到Sink節(jié)點的最優(yōu)路徑，簇頭節(jié)點、非簇頭節(jié)點均可以作為中繼節(jié)點。為了加強節(jié)點的負載平衡，選擇第三種樹型-分簇型混合路徑模型進行數(shù)據(jù)的傳輸。最優(yōu)數(shù)據(jù)通信鏈路構(gòu)建算法1如下。

輸入：最優(yōu)數(shù)據(jù)通信鏈路Data Trans{ }=NULL，存活節(jié)點數(shù)N，Sink節(jié)點位置S（a，b），存活節(jié)點位置V（xi,yi）,i=1,2,…,N，節(jié)點vi的鄰居節(jié)點信息集合Neighborvi{ }，節(jié)點通信半徑r。

2 仿真實驗

筆者針對OTCEE算法與經(jīng)典的混合型算法EEICS、PEDAD，樹型算法GIT以及混合型算法LEACH，將從網(wǎng)絡(luò)壽命、網(wǎng)絡(luò)平均延遲等角度進行仿真比較。

各算法網(wǎng)絡(luò)壽命的比較圖如圖1所示，可以從圖1中看出算法OTCEE的壽命明顯優(yōu)于其他幾種比較的算法LEACH、GIT、PEDAP、EEICS。當有第一個節(jié)點死亡時，OTCEE算法的壽命為8 015輪，EEICS為7 514輪，PEDAP為4 632輪，GIT為4 520輪，LEACH為4 026輪。當有10個節(jié)點死亡時，OTCEE算法的壽命為10 526輪，EEICS為8 074輪，PEDAP為8 106輪，GIT為7 835輪，LEACH為7 726輪，算法的壽命提升率較EECIS提升了30.36%，較PADAP提升了34.34%。這是因為本研究所提算法OTCEE分簇時均衡考慮了能量的消耗等，建立了最優(yōu)的分簇拓撲結(jié)構(gòu)，并且在最終的數(shù)據(jù)傳輸階段建立了混合型的數(shù)據(jù)傳輸路徑，將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量較多的節(jié)點加入數(shù)據(jù)傳輸路徑從而降低了節(jié)點的能耗，延遲了節(jié)點死亡的時間。

圖1 網(wǎng)絡(luò)壽命

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性是網(wǎng)絡(luò)開銷的重要指標，延遲越低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅茉綇?。各算法網(wǎng)絡(luò)平均延遲比較圖如圖2所示。從圖2中可以看出LEACH 算法的延遲最低，因為LEACH算法的數(shù)據(jù)傳輸拓撲單一，簇內(nèi)直接傳播，簇頭節(jié)點到Sink也是單向直接傳播，從而延遲最低。但是延遲低的代價是網(wǎng)絡(luò)壽命較低，需基于此綜合考慮網(wǎng)絡(luò)開銷。從圖2中可以看出幾種算法延遲均隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加而增加，這是因為數(shù)據(jù)量的增加以及拓撲中中繼節(jié)點的數(shù)量增加從而導致了延遲的增加。同樣的仿真環(huán)境下本研究所提算法OTCEE的延遲低于其他幾種算法的延遲，這是因為從簇頭到Sink建立了最優(yōu)的混合路徑，從而有效地降低了數(shù)據(jù)的傳輸延遲。

圖2 網(wǎng)絡(luò)平均延遲

3 結(jié)束語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為對21世紀具有巨大影響力的技術(shù)之一，無線傳感器節(jié)點具有數(shù)量龐大、體積微小、通信和計算能力弱、電源能量有限且無法彌補、能量異構(gòu)等特點。構(gòu)建一種能量高效且負載均衡的分簇算法是研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目的。