無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇通信協(xié)議的可靠性方案_圖文

1、周祖德 , 胡鵬 , 李方敏(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院 , 湖北 武漢 430070摘 要 :以數(shù)據(jù)為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)更加注重數(shù)據(jù)的可靠性。利用可靠性框圖 (RBD對分簇通信協(xié)議的 數(shù)據(jù)可靠性進行建模,將得出的網(wǎng)絡(luò)可靠性值引入簇形成機制中。定義和分析了影響數(shù)據(jù)可靠性的異常節(jié)點,利 用偵測機制發(fā)現(xiàn)可能的異常節(jié)點,用友節(jié)點協(xié)作完成傳感任務(wù)以降低異常節(jié)點能量消耗來消除其潛在影響。在此 基礎(chǔ)上,提出了 REECP (reliable energy-efficient cluster-based protocol。仿真結(jié)果表明它能夠延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的有 效生命周期,減少數(shù)據(jù)融合時的誤差傳播,有效

2、地提高基于分簇通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。關(guān)鍵詞 :無線傳感器網(wǎng)絡(luò);分簇通信協(xié)議;可靠性方案;異常節(jié)點中圖分類號 :TP212; TP393 文獻標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1000-436X(200805-0114-08Reliable scheme for the cluster-based communicationprotocol in wireless sensor networksZHOU Zu-de, HU Peng, LI Fang-min(School of Information Engineering, Wuhan University of Technology,

3、Wuhan 430070, ChinaAbstract: Since the data-centric sensing task focuses more on the data reliability, many cluster-based communication protocols were failed to analyze the reliability of the sensing task. The RBD (reliability block diagram was used to model the data reliability of cluster-based wir

4、eless sensor networks (WSN. The value of reliability was adopted into the cluster formation scheme. Then the malfunctioning node (MN that could affect the data reliability is defined and analyzed. A detecting scheme was proposed to detect the MN and the friendly node (FN is used to mitigate its nega

5、tive effects. Based on the above analysis, the REECP (reliable energy-efficient cluster-based protocol was proposed. Simulation results demonstrate REECP can prolong the effective lifetime of the network and mitigate the error propagation in data aggrega-tion of sensing tasks, reinforcing the reliab

6、ility of WSNs with cluster-based communication protocols.Key words: wireless sensor networks; cluster-based communication protocol; reliable scheme; malfunctioning node1引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理能力、存儲能力和通 信能力相對較弱, 通過攜帶能量有限的電池供電 1, 并且不能在部署后進行充電。所以能量有效協(xié)議成 為傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要問題之一 24。為了減少整個 網(wǎng)絡(luò)的能量消耗, Ocakoglu O5通過運用統(tǒng)計方法 來設(shè)計評估預(yù)

7、期的目標(biāo),提出了一種隨機的睡眠 /喚醒策略。 Ekta J6也運用了利用了統(tǒng)計的方法分析 節(jié)點的行為,進而用來分析傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周 期。但是方案過于依賴網(wǎng)絡(luò)全局拓撲信息且沒有提 供對于分簇通信協(xié)議的分析。收稿日期 :2006-10-23; 修回日期 :2008-03-10基金項目 :國家自然科學(xué)基金資助項目(50620130441, 60773212 ;教育部重點資助項目(107130Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (50620130441, 60773212; The Key Progra

8、ms of Ministry of Education of China (107030第 5期 周祖德等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇通信協(xié)議的可靠性方案 ·115·集中式協(xié)議對于實際環(huán)境下部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)是不實際的,雖然易于實現(xiàn)和能滿足于精度的要 求,但是較分簇的方法來說會增加能量的消耗 7。 LEACH 7是一種能量有效同時也是一種去中心化 的分簇通信協(xié)議。 SEP 8在 LEACH 基礎(chǔ)上加入了 高級節(jié)點來增加網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 DEEC 9在 SEP 的基礎(chǔ)上針對多級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對 LEACH 進行了改 進。 DEEH 10則針對大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行了改 進。文獻 11基于 L

9、EACH 設(shè)計了分布式的數(shù)據(jù)收 集和聚合協(xié)議。然而這些協(xié)議沒有考慮對于傳感任 務(wù)非常重要的數(shù)據(jù)可靠性。由于簇頭進行數(shù)據(jù)融合的質(zhì)量極大程度上依賴 于其成員節(jié)點提供的數(shù)據(jù)。 對于諸如環(huán)境監(jiān)測這樣的 以數(shù)據(jù)為中心的傳感任務(wù)來說, 數(shù)據(jù)融合依賴于成員 節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。如果不能保證所依賴數(shù)據(jù)的可靠 性,那么僅延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是沒有意義的。本文提出了一種可靠的能量有效的分簇通信 協(xié)議 REECP (reliable energy-efficient cluster-based protocol 。利用 RBD (reliability block diagram來 對分簇網(wǎng)絡(luò)的層次性數(shù)據(jù)融合進行建模分析

10、,保證 了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的可靠性。通過估算的節(jié)點平均生 命周期檢測出可能對簇的數(shù)據(jù)融合的精確性產(chǎn)生 危害的異常節(jié)點。然后使檢測出的異常節(jié)點與友節(jié) 點協(xié)作來減少異常節(jié)點的能量消耗,并且不會影響 數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。2 LEACH協(xié)議分析一般來說,基于 LEACH 的協(xié)議按輪(round 運行,每輪分為簇頭選舉、簇的形成、穩(wěn)定狀態(tài)和 數(shù)據(jù)融合這幾個階段。 2.1 簇頭的選舉策略 LEACH 協(xié)議在簇頭選舉階段存在不能動態(tài)反 映節(jié)點能量消耗的不足,所以節(jié)點的當(dāng)前能量必須 被考慮進來。 針對這一點, DCHS 12考慮了節(jié)點剩 余能量,改進了簇頭選舉閾值的計算式,使剩余能 量高的節(jié)點當(dāng)選為簇頭的概率增大。式

11、(1中為 LEACH 的簇頭選舉閾值的計算式,式 (2為 DCHS 的對節(jié)點 n 的簇頭選舉概率的改進計算式。 ( 1mod(1/p T n p r p = (1s init init ( 1( ( 11mod(1/( ( p E n E n T n r div p r p E n p E n =+ (2 p 表示節(jié)點成為簇頭的概率, 取為 k/N13, k 為 預(yù)期的簇頭數(shù), N 為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)。 r 表示當(dāng)前輪 數(shù), r s 表示節(jié)點連續(xù)未當(dāng)選為簇頭的輪數(shù)。 E (n 是 節(jié)點 n 當(dāng)前剩余能量, E init (n 是節(jié)點 n 初始能量。 2.2 簇的加入策略在簇的形成階段 , 節(jié)點應(yīng)該

12、選擇使之能量消耗 最小的簇。 LEACH 中節(jié)點依據(jù)簇頭節(jié)點廣播射頻 信號的強弱來選擇離自己最近的簇,但是它沒有考 慮簇頭與基站之間的能量消耗,因為每個節(jié)點都有 可能當(dāng)選為簇頭,僅考慮節(jié)點與簇頭的能耗會導(dǎo)致 整個網(wǎng)絡(luò)多余的能量消耗, EECS 2改進了這些不 足。( (, (1 (, j i i cost j,i wf d P CH w g d CH BS =+ (3 其中, min_maxmax min(, ( , j i i g_f g_g_d P CH d CH ,BS d f g d d d =_max _max _min (max(, ;max(, ;min(, f j i g i

13、g i d EX d P CH d d CH BS d d CH BS =cost (j , i 是節(jié)點 P j 加入 CH i 的代價; d g_max=max d (CH i , BS 是節(jié)點到 CH 的距離, f 子式保證使節(jié) 點的通信代價最小; d (CH i , BS 是簇頭 i 到基站的距 離; g 子式保證使簇頭 i 到基站的通信代價最小; 權(quán)值 w 的設(shè)置則是根據(jù)具體應(yīng)用, 在成員節(jié)點能量 與簇頭能量耗費之間的權(quán)衡。在本文中將考慮網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性對式 (3進行進一步的改進。2.3 網(wǎng)絡(luò)生命周期的估計 網(wǎng)絡(luò)生命周期的估計對于優(yōu)化 LEACH 協(xié)議有 著重要的意義,其估計的主要依據(jù)

14、是平均能量消 耗。 LEACH-C 13使用了集中式的方法來選擇簇頭,基站利用接收到的節(jié)點的位置和能量來計算當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)平均的能量,小于平均能量的節(jié)點不能當(dāng)選為簇頭。在 DEEC 9中將節(jié)點當(dāng)前能量與估計的網(wǎng)絡(luò) 平均能量的比率考慮進了簇頭選舉的閾值中。 LEACH-C 使用的最直接的消息傳遞方法將能量信 息傳遞給基站,但是這樣會導(dǎo)致多余的能量消耗。 用統(tǒng)計方法來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)生命周期是另一種可行的方法,在統(tǒng)計模型中,最直接有效的方法是利用節(jié) 點壽命的先驗知識來得到節(jié)點壽命的估計,然而實際中先驗數(shù)據(jù)往往難于獲得。 Ekta J6研究了節(jié)點在 具有活躍 (active和空閑 (idle狀態(tài)時的能量消耗情

15、況下網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點的生命周期趨近于正態(tài)分布。·116· 通 信 學(xué) 報 第 29卷 Mini 14利用馬爾可夫過程和 ARIMA 模型來預(yù)測節(jié) 點的剩余能量從而減少了節(jié)點剩余能量數(shù)據(jù)包的 傳遞次數(shù), 構(gòu)建了 Energy Map14得到網(wǎng)絡(luò)能量分布 圖。但是模型的建立需要一定的先驗數(shù)據(jù),利用頻 率得到近似的轉(zhuǎn)移概率矩陣的需要大量的數(shù)據(jù),這 樣對模型的應(yīng)用具有很大的局限性。另一方面由于 ARIMA 模型參數(shù)繁多且不容易確定 14,運用起來 也較為困難。本文假設(shè)節(jié)點在所分配的時隙中發(fā)送的數(shù)據(jù) 量不會經(jīng)常發(fā)生突變, 故可利用 DEEC 中節(jié)點能量 消耗模型來估計每輪的能耗及網(wǎng)絡(luò)的

16、平均生命周 期, 即假定 N 個傳感器節(jié)點均勻地分布在一個 M ×M 的矩形區(qū)域內(nèi),基站位于該區(qū)域的中間,基站的任 意放置不會對分析結(jié)果造成本質(zhì)的影響。每個簇的 成員節(jié)點在每一輪中向簇頭節(jié)點發(fā)送約 L 比特的消息,則平均生命周期 可由式 (4得到 9totalroundinit42elec DA amp toBSfs toCH (2 E E E L NE NE k d N d =+ (4其中, toCH toBS 0.765/2d M d M =式 (5表示第 r 輪平均能量消耗 9。 init 1E r r N = (5 其中, E elec 、 E DA 表示電路和數(shù)據(jù)融合的能量

17、消耗;amp 、 fs 表示 Multipath 和 Friss free-space 2種無線 信道傳播模型參數(shù) 13; d toBS 和 d toCH 表示節(jié)點到基 站和簇頭的平均距離, k 為簇頭數(shù); E init 表示網(wǎng)絡(luò)初 始化時總能量。這種估計的不足在于對于促發(fā)的數(shù) 據(jù)所導(dǎo)致的能量消耗和由其導(dǎo)致的節(jié)點突然死亡 會引起一定的誤差,但是能適合諸如環(huán)境監(jiān)測等數(shù) 據(jù)量較穩(wěn)定的以數(shù)據(jù)為中心的傳感任務(wù)。3 分簇通信協(xié)議的可靠性方案設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗包括:通信、傳感、數(shù) 據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理。在許多應(yīng)用中,雖然傳感和數(shù) 據(jù)處理任務(wù)同樣消耗能量,但多數(shù)的能量消耗在通 信中 15。所以,本節(jié)中的

18、REECP 一方面定義并檢 測異常節(jié)點 (MN, malfunctioning node并利用友節(jié) 點 (FN, friendly node減小其對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性的影 響;另一方面,為了延長網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期,需 給 MN 分配輕量級的任務(wù)。3.1 異常節(jié)點首先給出與異常節(jié)點的討論相關(guān)的有效生命 周期的定義。定義 1 (有效生命周期 :網(wǎng)絡(luò)有效生命周期是 指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以維系指定的傳感任務(wù)目標(biāo)時 的生命周期。定義 2 (異常節(jié)點 :稱具有以下特點的傳感器 節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中的異常節(jié)點 (MN:1 其不能維系本輪或以后幾輪的網(wǎng)絡(luò)或自身 的運行;2 對于數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性有著潛在的威脅。 在簇中,成員節(jié)

19、點的突然死亡會影響簇范圍的 數(shù)據(jù)融合的精度 (如圖 1(a所示 。 由于位于高層次 的節(jié)點有更多的能量消耗 16, 所以簇頭必須保證有 足夠的能量提供本輪的運行。作為簇頭節(jié)點,如果 在某輪的中途死亡,那么這一輪的數(shù)據(jù)融合將無法 進行 (如圖 1(b所示 , 基站也接收不到簇頭的數(shù)據(jù), 從而導(dǎo)致本輪任務(wù)的失效。如果網(wǎng)絡(luò)中有多個簇發(fā) 生此現(xiàn)象,那么會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的誤差傳播,使傳感任 務(wù)失效。由于在本文的討論中,傳感任務(wù)主要目標(biāo) 是保證可靠的數(shù)據(jù)融合,這時網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期就會受到這種數(shù)據(jù)誤差傳播的影響。所以, MN 可以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)的失效, 偵測出 MN 然后消除其不利的影響是非常必要的。圖 1 簇

20、中異常節(jié)點 MN 對數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的影響3.2 REECP為了提高數(shù)據(jù)的可靠性和降低能量的消耗,提 出了 REECP 。 采用了 LEACH 協(xié)議的主要階段, 并 且進行了改進,加入了對 MN 的檢測和處理機制。 假設(shè)節(jié)點 j 具有能夠取得自身剩余能量 E (j 和根據(jù) 信號強度估計節(jié)點位置的能力, 協(xié)議中定義 MN 的 提前預(yù)警輪數(shù)為 v , 第 i 個簇的數(shù)據(jù)可靠性為 i , 網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性為 ,協(xié)議框架描述如下:1 結(jié)合分簇網(wǎng)絡(luò)特點建立數(shù)據(jù)可靠性模型,并 得到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度表達式 R network ;第 5期 周祖德等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇通信協(xié)議的可靠性方案 ·117

21、3;2 網(wǎng)絡(luò)生命周期 (網(wǎng)絡(luò)平均運行的輪數(shù) 估計 模型;3 偵測異常節(jié)點,并記錄在簇頭中;4 減小異常節(jié)點的影響;5 分配輕量級任務(wù)給異常節(jié)點。在步驟 1 中, 主要考察節(jié)點的可靠度如何對網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度產(chǎn)生影響,從而能夠讓節(jié)點在簇的加 入過程中選擇數(shù)據(jù)可靠性較大的簇。 步驟 2 中網(wǎng)絡(luò) 的生命周期的估計是步驟 3 中偵測異常節(jié)點的依 據(jù)。由于簇頭會對 FN 發(fā)出的融合包進行解析后得 到簇中 MN 的數(shù)量,然后報告給 BS 。由于需要計 算可靠性指標(biāo), 節(jié)點需要知道周邊 MN 節(jié)點的數(shù)量, 可以通過 BS 將 MN 的情況廣播給節(jié)點的方式得到。 在簇的形成階段,節(jié)點將可以對所加入簇的數(shù)據(jù)可 靠

22、性的大小加以綜合考慮。數(shù)據(jù)可靠性建模的目的 是針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作出簇范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)融合依賴關(guān) 系,從而利用簇頭對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性進行評估和調(diào) 整,即在設(shè)定的 下,當(dāng)簇 i 中的 MN 節(jié)點數(shù)量超 過保證簇內(nèi)數(shù)據(jù)可靠性的 MN 節(jié)點所占比例 i 時, 利用 FN 對 MN 節(jié)點的影響進行抑制。本節(jié)其余部 分將針對協(xié)議進行具體的描述和分析。3.3網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性分析傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種依賴于節(jié)點間協(xié)作的事件 驅(qū)動模型 17, 一般諸如環(huán)境監(jiān)測型傳感任務(wù)中的節(jié) 點在所部屬的區(qū)域內(nèi)協(xié)同工作。 RMST 18協(xié)議利用 定向擴散 1(direct diffusion研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 端到端的可靠傳輸問題, ESR

23、T 17針對多個事件驅(qū) 動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性問題進行了研 究。傳輸可靠性主要研究鏈路可靠性的模型,而本 文利用分簇網(wǎng)絡(luò)的特點,利用 RBD 研究數(shù)據(jù)靠性 問題, 并將之加入 LEACH 的簇形成和評估分析中。 圖 2(a表示網(wǎng)絡(luò)層次性數(shù)據(jù)融合的依賴關(guān)系,可見 簇的融合數(shù)據(jù)極大地依賴于成員節(jié)點, 其中基站 BS 處于最高層次,簇頭 CH 其次。若采集的傳感數(shù)據(jù) 具有時 -空信息, 成員節(jié)點與簇頭間、 簇頭和簇頭間 的數(shù)據(jù)融合依賴關(guān)系則更加明顯,因為此時簇頭或 成員節(jié)點的死亡都會造融合的數(shù)據(jù)中的時 -空信息 的缺失, 導(dǎo)致重要監(jiān)測數(shù)據(jù)的丟失。 針對此種情況, 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的簇為保證可靠數(shù)據(jù)

24、融合的自治單元, 且發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)依賴于各簇的融合數(shù)據(jù),對于 分簇網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性進行建模。任何復(fù)雜的系統(tǒng)都可以描述成串聯(lián)與并聯(lián)模 塊的組合 6,可靠性理論利用串行子系統(tǒng)和并行子 系統(tǒng)或混合的子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)進行建模 19。 Ekta J6利用分析了具有空閑、 活躍兩個隨機狀態(tài)下 節(jié)點的壽命情況,并且假設(shè)節(jié)點處于這 2種狀態(tài)下 的概率符合二項分布,對六邊形和正方形部署下節(jié) 點與周圍節(jié)點的生存依賴關(guān)系的情況利用 RBD 進 行分析,但是沒有考慮節(jié)點發(fā)送的不同數(shù)據(jù)包帶來 的能量消耗對節(jié)點壽命的影響。對基于分簇的網(wǎng)絡(luò) 來說,網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合依賴于每個簇(如圖 2(b所 示 ,所以簇間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系可

25、以用 RBD 模型可 以表示成圖 3的形式。 (a 分簇網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合示意圖 (b 分簇網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點 a 、簇頭 C 和基站 BS 的依賴關(guān)系(箭頭表示數(shù)據(jù)融合的流向 圖 2 分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)依賴關(guān)系 (a 有 m 個成員節(jié)點的 RBD 模型 (b 具有 k 個簇的網(wǎng)絡(luò)的 RBD 模型(數(shù)據(jù)關(guān)系可以表示成串聯(lián)的依賴關(guān)系, C 1, C 2, , C k 為簇頭 圖 3 基于 RBD 模型的簇間數(shù)據(jù)依賴關(guān)系·118· 通 信 學(xué) 報 第 29卷基于以上的分析,單個簇的數(shù)據(jù)可靠性可以表 示為1cluster 11(1 m i i R R += (6R i 是節(jié)點 i 的數(shù)據(jù)可靠

26、性,若 R CH 表示簇頭的 數(shù)據(jù)可靠性,進一步可以得到cluster CH 11(1 (1 mi i R R R = (7整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性可以表示為network cluster, 1ki i R R = (8R cluster ,i 表示第 i 個簇的數(shù)據(jù)可靠性。一般來說, 如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量為 N ,那么假定所有節(jié)點具有 相同的可靠性 R , C i 表示第 i 個簇的節(jié)點數(shù)。所以 式 (8可表示為式 (9。 如果用 N /k 表示簇中平均節(jié)點 數(shù),那么可以得到近似表示式 (10。network 1(1(1 i kC i R R = (9 network (1(1 NkkR R (1

27、0 利用式 (10可以估算和評估分簇網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性,從中可以說明節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)可靠性與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性的影響。圖 4表明在同樣的節(jié)點數(shù)據(jù)可靠性下,隨著簇頭數(shù) k 的增長,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性相應(yīng)的降低。因為更多的簇頭表明數(shù)據(jù)可能發(fā)生更多的數(shù)據(jù)融合誤差。 可以利用簇頭周邊 MN 節(jié)點數(shù)量m 占平均簇節(jié)點數(shù)量 N /k 的比率來表示成簇的可靠性,即 km /N。然后計算出第 i 個簇的 R network ,i 并加入到簇頭廣播包中。由于不同的簇頭將會計算出不同的 R network ,在簇的形成階段節(jié)點會根據(jù)簇頭所形成的簇的可靠度來選擇所要加入的簇,這樣就可以使形成后的簇具有較好的數(shù)據(jù)可靠性。為了避免

28、僅用射頻強度和數(shù)據(jù)可靠性作為指標(biāo)來選擇簇頭可能會造成的網(wǎng)絡(luò)中簇的可靠性不均等的問題,還必須考慮簇頭與基站間的關(guān)系所造成的通信代價,改進 EECS 中的簇加入代價函數(shù), 將式 (3加入數(shù)據(jù)可靠性的權(quán)值 , 那么節(jié)點 j 選擇是否加入簇 i 的代價如式 (11所示。network, ( (, (1 (, j i i icost j,i wf d P CH w g d CH BS R =+ + (11圖 4 簇頭數(shù)為 k=3, ,10時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性R network 和節(jié)點數(shù)據(jù)可靠性 R 的關(guān)系3.4 異常節(jié)點的偵測式 (5中已求出網(wǎng)絡(luò)每輪的能量消耗 r , 這樣 異常節(jié)點就可以用下式偵測init

29、 11( ( ( v r vr rE i r E N = <= (12在每一輪的開始,當(dāng)節(jié)點 i 的剩余能量 E (i 小于維系后 v 輪運行所需的能量( r vr =時,節(jié)點就 可以判斷為 MN 節(jié)點。對于不同傳感應(yīng)用任務(wù),網(wǎng)絡(luò)生命周期的預(yù)測模型可以有不同形式,但只要得到預(yù)測出的生命周期前 v 輪時網(wǎng)絡(luò)的平均能量,就 可以運用到 REECP 中作為 MN 節(jié)點的偵測閾值。3.5 消除異常節(jié)點的影響為了減小 MN 的不利影響,使用友節(jié)點 FN(如圖 5所示 來與 MN 協(xié)作。 FN 是簇中離 MN 節(jié)點最近的正常成員節(jié)點,主要負責(zé)接收 MN 的數(shù)據(jù)。針對不同的應(yīng)用情況, FN 的確定可以

30、有 2種方法。1 在 LEACH 協(xié)議中,接收到多個簇頭廣播的節(jié)點根據(jù)接收到的射頻信號強弱來選擇加入哪一個簇, 在節(jié)點在分配的時隙中向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時, 節(jié)點通過監(jiān)聽友節(jié)點發(fā)送信號的強弱確定自己的友節(jié)點。2 利用定位算法可以得到每個節(jié)點的位置。定 位信息的獲得既可以通過距離相關(guān)的方法得知,也可以通過如 DV-Hop 、 Hop-TERRIAN 用跳數(shù)估算得知。當(dāng)應(yīng)用中需要節(jié)點采集的數(shù)據(jù)包含時空信息時,定位過程是必須的,這樣 REECP 就不會對識別 FN 節(jié)點而進行多余的花費。在網(wǎng)絡(luò)初始化階段節(jié)點將 FN 節(jié)點記錄,并且按照從近到遠的順序排序,在之后的運行中將變?yōu)镸N 的友節(jié)點剔除列表。當(dāng) FN

31、 收到 MN 的數(shù)據(jù)后 便進行簡單的數(shù)據(jù)融合并且不增加數(shù)據(jù)幀的長度,第5期 周祖德等：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇通信協(xié)議的可靠性方案 ·119· 這樣 FN 協(xié)助 MN 所增加的能量消耗可以忽略。然 后 FN 將數(shù)據(jù)一并發(fā)送到簇頭。 通過這種方法， 保證 了 MN 的出現(xiàn)對于簇頭的數(shù)據(jù)融合是透明的，而且 減少了 MN 的能量消耗，避免了可能出現(xiàn)的節(jié)點突 然死亡對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性的影響，過程描述如下。 1 當(dāng)節(jié)點偵測為 MN 后，將求助于 FN。為了 減少通信的消耗，節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到 FN，F(xiàn)N 進行 簡單的數(shù)據(jù)融合后在規(guī)定的時隙內(nèi)將自己和 MN 的 數(shù)據(jù)融合后發(fā)送到簇頭，融合的數(shù)據(jù)

32、中有 MN 的標(biāo) 識字段，但并不影響簇頭的融合精度； 2 簇頭將 FN 發(fā)送的數(shù)據(jù)與正常節(jié)點發(fā)送的數(shù) 據(jù)進行融合后發(fā)送至 BS； 4 仿真 整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均勻隨機部署在 100m×100m 的 平面中，使用文獻13中的收發(fā)機能量消耗模型， 具體參數(shù)如表 1 所示。 表1 參數(shù) 部署平面大小 節(jié)點數(shù)量 N 電路消耗 能量 Eelec 信道傳播 模型參數(shù) amp 取值 100m×100m 100 5.0×10-8J/bit 1.3×10-15J/bit 實驗參數(shù)表 參數(shù) 基站 BS 位置 發(fā)射能耗 Etx 和 接收能耗 Erx 信道傳播模型 參數(shù) fs 數(shù)據(jù)融

33、合消耗 能量 EDA 取值 (27m, 53m 5.0×10-8J/bit 1.0×10-11J/bit 5.0×10-9J/bit 3 當(dāng) i > ，即超過預(yù)設(shè)比率 時，BS 對 i k 不可靠數(shù)據(jù)進行標(biāo)記。 圖 5 簇中的友節(jié)點 FN 和異常節(jié)點 MN 的協(xié)作 由于 LEACH 協(xié)議中對于簇中節(jié)點在所分配的時 隙中發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點間并不進行通信，然而步驟 2 中 MN 需要 FN 節(jié)點的協(xié)助通信，所以必須對時隙分 配的順序稍作修改。 簇頭節(jié)點對于簇內(nèi)的 MN 節(jié)點進 行排序，然后將按照優(yōu)先 MN 節(jié)點的原則將 TDMA 時隙分配給各節(jié)點， MN 節(jié)點在一

34、輪中的開始進行 即 數(shù)據(jù)發(fā)送， 而此時其它的節(jié)點僅對自己周邊的 MN 時 隙進行監(jiān)聽狀態(tài)，一旦 FN 收到了其對應(yīng)的 MN 的求 助數(shù)據(jù)包，將之存入自己的緩存中，由于 FN 節(jié)點會 收到簇頭分配時隙時所加入的 MN 的信息，所以 FN 節(jié)點在監(jiān)聽自己的 MN 節(jié)點的時隙后便進入睡眠狀 態(tài)， 直到分配給自己時隙到達時將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送 給 CH。由于 MN 范圍內(nèi)可能有多個 FN 進行監(jiān)聽， MN 數(shù)據(jù)被多個 FN 傳輸至簇頭，但由于 FN 的融合 幀長度不會發(fā)生大的變化， 因此不會造成過重的網(wǎng)絡(luò) 負擔(dān)。事實上，如果節(jié)點被檢測出為 MN，那么對于 需要節(jié)點承擔(dān)計算任務(wù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說， 可以將任

35、 務(wù)進行分解后分配給 MN，這樣可以減少繁重的數(shù)據(jù) 處理所引起的能量消耗。 REECP 在 Matlab 7.0 下仿真，為了在公平環(huán)境 下與 SEP 與 LEACH 對比， 設(shè)置 10%的高級節(jié)點的能 量為 1J，其余節(jié)點能量為 0.5J。CH 發(fā)送的數(shù)據(jù)包大 小為 8 000bit。成員節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小 6 000bit； 同時考慮到實際負載環(huán)境，節(jié)點每輪發(fā)送數(shù)據(jù)加入 了隨機噪聲偏移。簇頭選擇概率 p=0.1，提前預(yù)警 輪數(shù) v=10， 加入簇時數(shù)據(jù)可靠性權(quán)值 =0.5， w=0.3。 圖 6(a中是 SEP 和 LEACH 每輪的平均能量消耗， 圖 6(b中是 REECP 的每輪能量

36、消耗?？梢钥吹?， SEP 較 LEACH 的平均能量消耗曲線平滑，而 REECP 則較 SEP 更加平滑。 這是由于 REECP 中對 MN 節(jié)點進行了有效的抑制，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)平均能量 消耗，使得網(wǎng)絡(luò)能量平滑下降，增加了穩(wěn)定周期。 由于 MN 對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性有潛在的威脅，雖然 LEACH 和 SEP 可以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是卻 不能保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性。對于數(shù)據(jù)為中心的傳 感任務(wù)來說，僅僅著眼于延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是沒有 意義的，必須提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性，仿真中使用 死亡節(jié)點占所有節(jié)點比率代表實際可靠度 R。 7(a 圖 顯示了 LEACH、 SEP 和 REECP 到達相應(yīng)可靠度的 起始輪

37、數(shù)，最左邊的點表示 R 由 100%降到 90%時 3 種協(xié)議下的開始時間 （輪數(shù)） 在 R 從 80%到 10% 。 的變化中 REECP 發(fā)生變化的輪數(shù)均大于 LEACH 和 SEP。圖 7(b中為 R 變化時維持的時間（輪數(shù)） ， 用 R 發(fā)生變化時的相應(yīng)輪數(shù)與第一個節(jié)點死亡的輪 數(shù)的差值，從中可以清晰地看到 REECP 的維持某 個可靠度的時間高于 LEACH 和 SEP ，這說明 REECP 具有更好的穩(wěn)定性。 比如， 在數(shù)據(jù)需要提供 80%的可靠度時， REECP 能維持 292 輪， LEACH 而 和 SEP 能維持 183 和 247 輪， ·120· 通

38、 信 學(xué) 報 第 29 卷 (a LEACH 和 SEP 的平均能量消耗 REECP 高于 LEACH 和 SEP。圖 8 顯示了不同 v 值 時 REECP 中到達相應(yīng)可靠度的輪數(shù)和持續(xù)時間， 從圖 8(a中可以 v 的增大網(wǎng)絡(luò)的生命周期也相應(yīng)增 加，雖然 v=40 時網(wǎng)絡(luò)運行不久就有一個節(jié)點失效， 但是其可靠度穩(wěn)定在 90%的時間卻高于 v 取較小值 的情況，這一點可以從圖 8(b中更加明顯地看出。 考察圖 6(b的結(jié)果顯示，當(dāng) v 增大時，網(wǎng)絡(luò)平均能 量花費曲線平滑周期增加，這是因為對 MN 節(jié)點進 行了提前處理，減輕節(jié)點負擔(dān)以節(jié)省其能耗的緣 故，圖 8 的結(jié)果再次證實了這一原因。實驗結(jié)

39、果表 明 REECP 能夠有效增強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性和有效 生命周期。 (b REECP 在不同值時平均能量消耗 圖 6 每輪網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗的對比 (a 運行中達到相應(yīng)可靠度的輪數(shù) (a 運行中達到相應(yīng)可靠度的輪數(shù) (b 不同可靠度下的穩(wěn)定時間 圖 8 REECP 在不同 v 值時到達相應(yīng)可靠度 R 的輪數(shù)和持續(xù)時間 5 結(jié)束語 (b 不同可靠度下的穩(wěn)定時間 圖 7 LEACH、 SEP 和 REECP 到達相應(yīng)可靠度 R 的輪數(shù)和持續(xù)時間 為了增強基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)據(jù) 為中心的傳感任務(wù)的可靠性，增加傳感任務(wù)的有效 生命周期，本文提出了 REECP。異常節(jié)點 MN 的存 在將會增加

40、傳感任務(wù)的不穩(wěn)定性、導(dǎo)致不準(zhǔn)確的數(shù) 據(jù)融合。為了提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠性，利用 RBD 對 具有層次性的分簇網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合進行建模和可靠 性定量分析，將簇間和簇內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸依賴關(guān)系用 第5期 周祖德等：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇通信協(xié)議的可靠性方案 分析J. 軟件學(xué)報, 2006, 17(5:1157-1167. ·121· RBD 中的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系建模。同時，針對于一般 性傳感任務(wù)，利用網(wǎng)絡(luò)能量消耗模型估計網(wǎng)絡(luò)的平 均生命周期，計算網(wǎng)絡(luò)每輪的平均的能量消耗并偵 測 MN；對于其他不同負載特點的傳感任務(wù)，需要 選擇合適的能量消耗預(yù)測模型。基于降低 MN 的能 量消耗的思路，用友節(jié)點

41、FN 協(xié)作 MN 進行數(shù)據(jù)傳 輸提高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷趤硐?MN 對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 可靠性的潛在影響。 仿真結(jié)果表明 REECP 能夠有效 增強無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)任務(wù)可靠性和有效生命周 期，在有限的能量下延長了達到所要求數(shù)據(jù)可靠度 的時間，并使節(jié)點完成傳感任務(wù)的同時能量平滑消 耗。未來的工作將針對 MN 的任務(wù)分解方法和復(fù)雜 負載情況下的傳感任務(wù)適用模型進行研究。 參考文獻： 1 孫利民, 李健中, 陳渝等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M. 北京: 清華大學(xué)出 版社. 2005. SUN L M, LI J Z, CHEN Y, et al. Wireless Sensor NetworksM. Beijin

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