无线传感网二级分簇线形路由协议研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡　玫　王永喜　刘保录

(兰州工业学院电子信息工程学院，甘肃 兰州　730050)

无线传感网二级分簇线形路由协议研究

Study on the Two-level Linear Clustering Routing Protocol for WSN

胡玫王永喜刘保录

(兰州工业学院电子信息工程学院，甘肃 兰州730050)

摘要：针对无线传感网自组网拓扑结构中节点能量消耗大、能耗不均衡的缺点，构建了分布式的二级分簇线形拓扑结构。协议改进了随机放置节点的自组网方式。灌溉子网根据剩余能量的大小确定二级簇首，未承担二级簇首的簇内节点等概率竞争，灌溉子网中未承担二级簇首的簇内节点等概率竞争，并根据剩余能量的大小确定二级簇首；簇内采用单跳的通信方式，簇间采用单跳与多跳相结合的通信方式。仿真试验结果表明，分布式的二级分簇线形协议在节点生存时间和数据包发送成功率方面明显优于自组网方式。

兰州市科技计划基金资助项目(编号：2012-2-15);

甘肃省教育厅基金资助项目(编号：2013B-091)。

修改稿收到日期：2014-07-27。

第一作者胡玫(1982-)，女，2009年毕业于西北师范大学电路与系统专业，获硕士学位，讲师，主要从事无线传感网络、计算机测量与控制的研究。

关键词：无线传感网络自组网二级分簇等概率竞争剩余能量

Abstract：Aiming at the defects of the nodes in WSN ad hoc topologic structure, e.g., high energy consumption and uneven energy consumption, the distributed two-level linear clustering topologic structure and relevant protocol are proposed. The protocol improves the ad hoc mode in which the nodes are placed in random. In irrigation sub-network, the head of two-level clustering is determined in accordance with the residual energy, the cluster nodes that not being the cluster head are competing based on equal probability. The single hop communication mode is used within cluster; the combination of both multiple hop and single hop modes is used between or among clusters. The results of simulation show that the distributed two-level linear protocol is better than ad hoc network in node survival time and successful transmit rate of data packets.

Keywords：Wireless sensor network(WSN)Ad hoc networkSecondaryClusterCompete with equivalent possibilityThe rest energy

0引言

河西走廊地处我国西北部，属于典型的干旱荒漠环境，具有“非灌不殖”、“地尽水耕”的特点。农业是该区的支柱产业，也是该区的耗水大户。随着经济社会的不断发展，河西走廊农业用水日趋紧张。由于该地区的农田绿洲被大片戈壁、荒漠隔断，呈不连续、带条状分布[1]，因此，需利用ZigBee无线传感网技术实现大区域、复杂恶劣环境下农业大田的相关信息的准确、全天候、不间断的无线采集。

降低传感器节点的能耗、延长网络生存时间是ZigBee无线传感网应用中首先要解决的问题之一[2-3]。目前，普遍认为采用高效路由算法可以提高无线传感器网络的能量效率[4]。而典型的高效算法，如LEACH、TEEN、HEED[5-6]等并没有结合应用对象的特点，无法解决一些具体问题。因此，本文针对无线传感网络的特点，以河西走廊农业大田为应用对象，设计干旱荒漠环境下带条状农田的ZigBee无线传感网路由协议。该协议通过改进农田中随机放置节点的自组网方式，构建了分布式的二级分簇线形拓扑结构。子网拓扑中未承担二级簇首的簇内节点等概率竞争，并根据剩余能量的大小确定二级簇首，较好地解决了网络能量受限的问题。

1自组网拓扑结构

自组网拓扑结构如图1所示。

图1　自组网拓扑结构图

由于我国农田本身具有面积广大、地形多样、所处环境复杂的特点，因此农田灌溉中的传感器节点多是大规模的随机放置，没有规律可循。在这种拓扑结构下，终端节点只负责采集自身覆盖区域的数据，然后将数据转发给路由节点。

由图1可以看出，自组网拓扑结构存在以下问题。

① 由于农田中的节点都是随机放置，很可能在某一区域多次重复放置节点或没有放置节点，导致路由节点接收的数据冗余率高或者缺少相关地块的信息。

② 网络中大量的终端节点均采集本地信息，然后转发给路由节点，因此在某时刻路由节点同时接收大量数据时会产生强烈的数据冲突，导致整个网络的信息吞吐量下降。

③ 终端节点采集数据后，通过路由节点将数据转发给中心节点。由于该协议是一种静态路由协议，它的路由节点确定不变，那么路由节点从始至终都要承担给中心节点转发大量数据的任务。如果路由节点附近的终端节点因随机放置而数目过多，则路由节点会因能量过早耗尽而导致该区域的通信中断。

2系统结构

通过考察分析河西走廊的农田环境、地形及实际的灌溉基础设施, 同时借鉴国内外的研究经验，将整个灌溉区域划分为一个二级分布式体系结构。整个系统由若干个灌溉子网、远程数据通信网(公众移动通信网络或者有线网络)以及控制中心构成[7]。

在我国政府的大力扶持下，河西走廊的农田现已大面积使用滴灌的方式进行灌溉。滴灌系统由泵站、控制阀门以及灌溉干管、支管和滴管等三级管道组成[8]。结合河西走廊农业大田带条状分布的地形特点，将灌溉大田均匀划分成宽为Z、长为L的地块(灌溉子网)。每个带条状的地块中都线形放置N个传感器节点和微型电磁阀，每个电磁阀可以控制该支管上的滴管延伸到的区域的灌溉。灌溉子网结构如图2所示。

图2　灌溉子网结构图

灌溉子网是一个动态分布式的二级分簇线形拓扑结构。灌溉子网中线形放置的终端节点等概率竞争，并根据剩余能量的大小确定二级簇首，如图3所示。簇内采用单跳的通信方式, 簇间采用单跳、多跳结合的通信方式。

图3　子网拓扑结构图

3协议设计

3.1　簇内算法设计

3.2　簇间算法设计

簇间路由是指二级簇首通过单跳或者多跳到达一级簇首的路径。无线传感网需要同时支持二级簇首到一级簇首的数据汇聚和一级簇首到终端节点的控制命令的传达两种方向的数据流。因此，一级簇首消耗的能量很大。由于无线传感网络中簇外的通信能量消耗与通信距离的平方成正比[9]，因此结合河西走廊农业大田具有带条状分布的地形特点，设计二级簇首通过单跳或多跳与一级簇首进行通信。如果二级簇首距离离一级簇首近，直接采用单跳与一级簇首通信；但是如果距离很远，那么采用二级簇首之间的多跳方式进行通信，然后再与一级簇首单跳通信。这样就保证了一级簇首不会出现能量过低导致整个网络通信中断的情况发生，有效延长了整个网络的寿命，提高了数据包的发送成功率。

簇间数据通信时利用数据融合的方法降低一级簇首接收数据的冗余度。数据聚合的方式为NnK→K，Nn表示无线传感网中全部终端节点的数目，K表示传送的数据包长度。数据融合方法大大减少了一级簇首接收的信息量，提高了能量的利用率。

由于存在无线信道的干涉现象，簇内簇首产生后，如果它们之间的距离小于簇半径，就会产生簇间干扰。二级簇首之间的距离越近，那么簇间的干扰就会越强，甚至可能造成消息重传，导致额外的能量开销[10-12]。因此，设置无线传感网二级分簇线形协议中每个灌溉子网面积时，要综合考虑簇外通信能量消耗与通信距离的关系和簇间通信覆盖区域交叠存在通信干扰这两个问题。

4应用模型与仿真结果

4.1　应用模型设计

NS2软件仿真使用的应用模型是一个长为1 000m、宽为500m的带条状区域A，一级簇首位于该区域的几何中心，坐标为(500，250)，应用模型如图4所示。

图4　应用模型图

将A平均分成12个面积相等的灌溉子网，每个灌溉子网中线形放置5个终端节点。网络节点的位置信息全部已知，节点初始能量均为2 J，数据包大小为525 B。

如果第一个灌溉子网中的终端节点1采集到一帧信息，那么经过终端节点2，它以直线单跳的形式把信息传送给二级簇首3，最后该簇首以多跳的形式与基站完成通信。经过一段时间后，在该灌溉子网中终端节点4又采集到一帧新的信息，未承担过二级簇首任务的终端节点1、2和5各有1/3的概率成为该簇的新簇首，最终根据它们剩余能量的大小来确定簇首，完成与一级簇首之间的通信。

4.2　仿真结果

利用NS2软件分别对自组网拓扑结构和二级分簇线形协议进行仿真。节点死亡数与网络工作时间关系如图5所示。

图5　节点死亡数与网络工作时间关系图

由图5可以看出，在整个网络工作的时间中，与自组网拓扑结构相比二级分簇线形协议节点死亡数目明显减少。由于协议采用簇内终端节点等概率竞争，剩余能量大者为二级簇首的方法，保证了整个网络中节点能量的均衡性，延长了网络的工作寿命。

数据包括包发送成功率曲线如图6所示。

图6　数据包发送成功率

由图6可以看出，二级分簇线形协议数据包发送成功率高于自组网拓扑结构。网络工作时间大于2 500 s后自组网拓扑结构的数据发送成功率急剧下降，而二级

分簇线形协议曲线变化并不显著。这是因为随着网络工作时间增长，数据聚合以及二级簇首的产生逐渐体现在控制数据发送成功率上。

5结束语

结合河西走廊地形环境特点，设计无线传感网的二级分簇线形协议。协议采用簇内终端节点等概率竞争，剩余能量大者为二级簇首的方法，保证了整个网络中节点能量的均衡性，延长了网络的工作寿命。试验结果表明，分布式的二级分簇线形协议在节点生存寿命和数据包发送成功率性能上明显优于自组网方式。因此，该协议可以广泛应用在与河西走廊地形环境特点类似的复杂恶劣的大区域中。

参考文献

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[2] 刘园莉,李腊元,卢迪.节能的无线传感器网络分簇路由协议的研究[J].传感技术学报，2010,23(12)：1792-1797.

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中图分类号：TP393

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501017