基于動(dòng)態(tài)WSN中分簇脈沖耦合時(shí)間同步開銷研究

莫文婷

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

WSN的研究起步于20世紀(jì)90年代末，當(dāng)無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟時(shí)，無線通信、微電子、傳感技術(shù)也得到快速發(fā)展，如何將無線自組網(wǎng)與傳感技術(shù)相結(jié)合的課題成為熱點(diǎn)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間相互交流與信息交換需要時(shí)間同步，因此時(shí)間同步是一項(xiàng)重要的技術(shù)支持。

目前，時(shí)間同步方法主要分3類：基于發(fā)送者的同步，如FTSP；基于發(fā)送者-接收者的同步，如TPSN，基于接收者-接收者的時(shí)間同步，如RBS。這些經(jīng)典時(shí)間同步算法在時(shí)間上都能達(dá)到有效的同步。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等無線傳感器利用中，為了節(jié)約成本以及能更大范圍采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，傳感器點(diǎn)節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷，在動(dòng)態(tài)WSN網(wǎng)絡(luò)中以上的同步算法不能很好解決時(shí)間同步問題。因此對(duì)于動(dòng)態(tài)WSN，文章提出動(dòng)態(tài)脈沖耦合 振 蕩 器（Moving Pulse Coupled Oscillator，MPCOs），因網(wǎng)絡(luò)范圍比較大，大范圍傳感器節(jié)點(diǎn)同步開銷比較大，可以先局部同步，再整體傳感器節(jié)點(diǎn)同步，因此在MPCOs基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出分簇型 MPCOs（Clustering -Moving Pulse Coupled Oscillator）算法，解決網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)、通信開銷，提高時(shí)間同步速度，使同步具有針對(duì)性和方向性。

1 MPCOs模型

移動(dòng)式脈沖耦合振蕩器是在脈沖耦合振蕩器基礎(chǔ)上根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行優(yōu)化，在動(dòng)態(tài)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過傳感器點(diǎn)節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，而MPCOs模型具有自組織、無記憶網(wǎng)絡(luò)同步模型，則很好應(yīng)用于動(dòng)態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則。文章中，采用在網(wǎng)絡(luò)中W= (I,E)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)設(shè)置I= { 1 ,2,3…N}并且E?I×I），所有節(jié)點(diǎn)在二維空間（L×L）以周期性相同、速度為V的相同速度進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)它們的初始相位角是隨機(jī)確定。令相位φi是節(jié)點(diǎn)i的相位變量，因?yàn)橹芷赥與相位關(guān)系為那么節(jié)點(diǎn)i的位置變化為和狀態(tài)變量的分別是下式（1）和（2）：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i的狀態(tài)和相位在時(shí)間t內(nèi)達(dá)到1，它將激發(fā)一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度為ε的脈沖。那么節(jié)點(diǎn)j狀態(tài)增加ε達(dá)到狀態(tài)xj，方向相位角θj隨機(jī)變化，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布。因此，得（3）式：

從式（3）可以看出，在任意均勻分布間隔為[0，2π]內(nèi)，狀態(tài)變化是任意的。x（t+）表示接收脈沖信號(hào)后的狀態(tài)，x（t-）是接收脈沖信號(hào)前的狀態(tài)。通過更新所有傳感器節(jié)點(diǎn)的相位，使所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間達(dá)到同步。

2 分簇型MPCOs步驟

為減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)與開銷，在MPCOs模型基礎(chǔ)上提出分簇型算法。實(shí)現(xiàn)WSN整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步，需要包括主要的內(nèi)容包括：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；簇間節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

步驟1：確定最優(yōu)簇頭數(shù)目mbest，計(jì)算方法如下公式：

其中，mbest為簇頭數(shù)目；N為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；λ1為MPCOs模型固定屬性值為4.965 1；λ2為另一個(gè)MPCOs模型固定屬性值為4.865 1；M為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍；d為監(jiān)測(cè)區(qū)域與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離。

步驟2：利用基于距離的K-MEANS聚類算法生成mbest個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，以通信開銷最小為形成簇的準(zhǔn)則。

步驟3：形成簇頭節(jié)點(diǎn)后，利用鄰居握手協(xié)議（NHP）形成簇。

步驟4：根據(jù)MPCOs模型先實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)同步，然后再實(shí)現(xiàn)簇間之間時(shí)間同步。

3 C-MPCOs算法

4 仿真結(jié)果分析

MPCOs模型利用狀態(tài)函數(shù)：

仿真分析速度V、耦合強(qiáng)度ε以及耦合節(jié)點(diǎn)通信半徑R對(duì)時(shí)間同步時(shí)間的影響。討論傳感器節(jié)點(diǎn)為N=4個(gè)，速度為V=[22 26 30 34 38 40]m/s，半徑R=[20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40]m，可以采取不同的耦合強(qiáng)度，文章中耦合強(qiáng)度ε=0.04的情況。根據(jù)算法得到如下仿真圖1R-T。

圖1 R-T

N=4，ε=0.04

仿真結(jié)果圖1分別是在節(jié)點(diǎn)N=4，耦合強(qiáng)度ε=0.04仿真圖。討論速度為V=[22 26 30 34 38 40]m/s，半徑R=[20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40]m時(shí)，同步時(shí)間與它們之間關(guān)系。從仿真圖可以看出總體趨勢(shì)，在某段通信半徑范圍內(nèi)，隨著半徑范圍的增加，剛開始同步時(shí)間在十幾秒以上，隨著半徑范圍點(diǎn)增加，在半徑為40 m時(shí)，同步時(shí)間縮小為6 s以下，同步時(shí)間明顯比比較范圍小的同步時(shí)間快，即同步半徑越大同步時(shí)間越快；對(duì)于速度相對(duì)而言，速度為40 m/s與22 m/s的整體同步時(shí)間要快，即速度越大的整體點(diǎn)同步時(shí)間越快，則速度越大同步時(shí)間速率收斂越快。因此速度和通信半徑與同步時(shí)間收斂速度成正比。

最終將MPCOs模型應(yīng)用到WSN中，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)簇，在一個(gè)簇內(nèi)達(dá)到同步后，再將各個(gè)簇再進(jìn)行整體同步。根據(jù)上述仿真在100 m×100 m區(qū)域內(nèi)，選最佳參數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=8、耦合強(qiáng)度ε=0.04、通信半徑R=40 m、速度V=34 m/s，進(jìn)行仿真后得同步時(shí)間為Tsync=2.337 9 s。對(duì)N=8個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到簇頭節(jié)點(diǎn)為2，則分為兩個(gè)簇x1、x2，進(jìn)行仿真后如圖2（a）、圖2（b），圖2（a）中不同點(diǎn)顏色表示振蕩器不同步，最后所有節(jié)點(diǎn)顏色相同，則所有傳感器節(jié)點(diǎn)都達(dá)到同步狀態(tài)，如圖2（b）。

圖2（a） 振蕩器節(jié)點(diǎn)不同時(shí)狀態(tài)圖

圖2（b） 振蕩器節(jié)點(diǎn)同步狀態(tài)圖

根據(jù)MPCOs模型仿真得到最優(yōu)參數(shù)，再將最優(yōu)參數(shù)應(yīng)用C-MPCOs算法進(jìn)行仿真，如圖3所示，簇x1、簇x2同步后的同步時(shí)間為Tsync=0.667，相比于MPCOs模型時(shí)間同步快了1.670 9 s，有效點(diǎn)縮短了同步時(shí)間，減小網(wǎng)絡(luò)開銷。

圖3 Xi—t

5 總結(jié)

文章在MPCOs模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化提出C-MPCOs算法提高同步時(shí)間，從而有效減少網(wǎng)絡(luò)開銷。通過MPCOs模型仿真在確定參數(shù)最優(yōu)情況下，再根據(jù)C-MPCOs算法進(jìn)行仿真。通過仿真驗(yàn)證了C-MPCOs算法明顯相比于MPCOs算法同步時(shí)間提高，有效減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)和同步開銷，使同步更具有方向性。文章模型能很好在二維動(dòng)態(tài)相互交互平面進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)于三維空間需更進(jìn)一步研究。