基于相关性感知的无线视频传感器网络路由协议*

肖利平，全腊珍，余 波

(1.湘潭大学 电子信息工程学院，湖南 湘潭410000;2.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙410000;3.湖南机电职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙410000)

0 引 言

无线视频传感器网络(wireless video sensor networks，WVSNs)是在无线传感器网络基础上发展而来的，由一组具有感知、计算和通信能力的视频传感器节点组成的分布式无线传感器网络［1］。由于无线视频传感器节点的能量资源和计算能力有限，部署于恶劣的环境中，电池不能再次充电，如何高效利用节点能量，延长网络寿命是通信协议设计的关键［2］。一个合理的无线视频传感器网络通信协议可节省节点的能量消耗，延长整个网络生存时间，其中，LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)通信协议是使用最为广泛的一种经典分层路由协议［3］。LEACH 协议是第一个基于分簇的通信协议，其采用集中式分簇方式，通过引入“轮”的思想，即通过每个节点产生一个随机数和一个设定好的门限值相比较，小于当前轮的节点就当选为簇首，相邻节点间动态地形成簇，簇内节点将信息汇聚于簇首，然后簇首将汇聚信息发送给基站节点(Sink)［4］。然而在实际应用中，LEACH 协议存在许多不足，如选簇首时，没有考虑节点的剩余能量，每个节点被选举为簇首的概率相等，这样导致当能量少的节点被选为簇首时，使簇首容易过早死亡［5］。为了克服LEACH协议的不足，降低网络能量消耗，提高节点能量的利用率，许多学者提出许多改进的LEACH 协议，如文献［6］提出了基于簇首竞争的非均匀簇路由协议(DEEC);文献［7］提出了综合节点位置与剩余能量的非均匀簇路由协议;文献［8］提出了基于最优跳数选择簇首的非均匀簇路由协议;文献［9］提出了基于监测区域进行梯度划分簇的非均匀簇路由协议，但是这些算法存在不同程度的不足，性能有待进一步提高。

本文提出一种基于相关性感知的路由协议(correlationaware routing protocol，CARP)。该协议首先对LEACH 协议的工作原理进行分析，然后结合视频传感器网络节点监测区域内容的相关性进行改进和完善，最后在Matlab 2012 平台上进行仿真实验对其性能进行分析和评估。仿真结果表明:相对于LEACH 协议，CARP 可以保持整个网络的能耗均衡，有效延长网络生命时间。

1 无线视频传感器网络结构与模型

1.1 无线视频传感器网络结构

在无线视频传感器网络中，节点随机部署于目标监测区域内，主要包括簇首节点、簇内节点、Sink 节点。

无线视频传感器网络的层次结构如图1 所示。

图1 无线视频传感器网络结构图Fig 1 Structure of WVSNs

1.2 无线视频传感器能耗模型

CARPC 算法中节点的能量消耗采用无线传输能量消耗模型计算，节点发送k bit 数据的耗能为

节点接收k bit 数据的耗能为

其中，k 为数据bit 数，d 为通信的距离，Eelec为收发电路的基本功耗系数，εfs，εamp分别为自由空间和多径衰落信道模型功率放大器的能量消耗常数。

簇首进行数据融合时，处理l bit 数据，需要能量为

1.3 无线视频传感器网络的感知模型

视频传感器网络是有向传感器网络的一个典型实例，即节点的感知范围是一个以节点为圆心、半径为其感知距离的扇形区域，其感知模型如图2 所示。其中，p(x，y)表示有向传感器节点的位置坐标，R 表示节点的最大传感范围，即传感半径，V 表示节点在某时刻t 时的传感方向，α 表示边界距离传感向量V 的传感夹角，2α 代表传感区域视角。

图2 无线视频传感器网络节点的感知模型Fig 2 Aware model of WVSNs node

2 CARP 设计

针对LEACH 协议存在的不足，CARP 从簇首节点选择、簇的形成、节点感知方向的调整、簇内通信以及簇间通信等几个方面进行改进。

2.1 簇首的选取

首先将无线视频监测区域划分成多个扇形区域，并标上扇形区域标记，然后将节点ID 与其所在环形区域标记对应，整个监测区域形成了以基站为圆心的弧形方块，每一个弧形方块区域为一个簇，在无线视频传感器的每一个簇中，簇首能量消耗最大，主要因其负责簇内节点的数据处理和相邻簇数据的转发。CARP 综合考虑节点剩余能量和节点与Sink 节点距离进行簇首的选择，具体为:首先计算节点剩余能量，若剩余能量低于整个网络节点能量的平均值，则退出簇首节点竞选，不然计算节点与Sink 节点之间距离，若该距离大于其它节点到基站的距离则退出簇首节点竞选，从而提高了能量较高节点当选为簇首的概率，有效降低了能量较低的节点成为簇首的概率，使能耗更加均衡，延长网络的生命周期。

2.2 簇的形成

在无线视频传感器网络工作过程中，根据能量消耗模型可知，通信距离越远，那么，传输数据所消耗的能量就相应越多，为此，基于节约通信能量消耗的原则，通过比较节点与各个簇首节点的距离，采用“舍远求近”原理选择距离相对较近节点作为本簇簇内成员，具体如图3 所示。

图3 无线视频传感器网络簇内成员的选取Fig 3 Cluster members selection of WVSNs

2.3 基于虚拟势场的节点感知方向调整

在无线视频传感器网络中，采用随机方式产生传感器节点的位置，但是这样会导致传感器节点在整个监测区域分布极不均匀，有的区域可能覆盖不到，具体如图4 所示。

图4 无线视频传感器节点的初始分布Fig 4 Initial distribution of WVSNs nodes

在实际应用中，考虑到传感器网络部署成本，所有部署的传感器节点都具有移动能力是不现实的，另外，传感器节点位置的移动极易引起部分传感器节点的失效，进而造成整个传感器网络拓扑发生变化，这些无疑都会增加网络维护成本。为此，本文基于传感器节点位置不变、传感方向可调的假设，采用虚拟势场的思想增强节点覆盖率，通过调节所有节点的感知方向使覆盖区域尽可能的扩大，感知方向调整后的效果如图5 所示。

图5 感知方向调整后的效果Fig 5 Effect after sensing direction adjusting

2.4 簇内通信

在簇内节点的通信过程中，首先计算簇首距离基站的距离与距离基站的最大距离之比，即有

其中，dig为第i 个簇首距离网关的距离。

如果Φi＜0.6，表示簇首与基站之间的间隔比较近，传感器节点数目少，采用单跳方式进行通信，如果Φi＞0.6，这表示簇首与基站之间的间隔比较远，则计算簇分散系数ηi，具体公式如下

2.5 簇间通信

簇间通信与LEACH 算法相似，具体如图6 所示。簇首将融合数据沿链路向基站发送，每个簇首节点对上一级节点数据先进行融合，然后再发送给下一跳节点。

3 仿真实验

3.1 仿真环境与场景设置

图6 无线视频传感器网络簇间的通信方式Fig 6 Communication modes among clusters for WVSNs

为了测试CARP 协议的有效性和优越性，在P4 双核2.85 GHz CPU 4GRAM，Windows XP 操作系统，Matlab 2012平台下进行仿真实验，并采用LEACH 协议和DEEC 协议进行对比测试，从网络生存时间、节点覆盖率、网络能量的消耗等方面进行性能分析。仿真场景为:在一个100 m×100 m的矩形区域内，随机分布100 个无线视频传感器网络节点，数据包长度为4 000 bits，节点的初始能量为0.5 J，εfs为0，εamp为0.001 3 pJ/bit/m4，Eelec为50 nJ/bit，EDA为50 nJ/bit。

3.2 结果与分析

3.2.1 网络生存时间比较

在初始状态相同的条件下，LEACH，DEEC，CARP 的网络生存时间变化曲线如图7 所示。从图7 可知，相对于LEACH，DEEC 协议，CARP 的网络生存时间明显延长，这主要是由于CARP 采用最优簇首选择方式，降低了剩余能量比较小的节点作为簇首的概率，增加了能量较高的节点被选为簇首的概率，并通过改进整个网络的簇间、簇内通信方式，大幅度降低了节点的能耗，使整个网络的能耗更加均匀，从而延长了网络的生存时间。

图7 不同协议的网络生存时间对比Fig 7 Network lifetime comparison of different protocols

一般当网络中80%的节点死亡时，整个无线视频传感器网络就无效，表1 分别列出了节点死亡10%，50%，80%时三种协议已经存活的轮数，从表1 可知，CARP 能够保证剩余能量较大的节点优先担任簇首，将整个网络的能量负载平均分配到每个节点，从而达到降低和均衡网络能耗。

表1 不同协议的节点死亡情况Fig 1 Nodes death situation of different protocols

3.2.2 网络覆盖率比较

在初始状态相同条件下，LEACH，DEEC，CARP 的网络覆盖率变化曲线如图8 所示。从图8 可知，相对于LEACH，DEEC 协议，CARP 的网络覆盖率得到大幅度提升，这主要是由于CARP 通过虚拟势场思想自适应调整无线视频传感器节点的感知方向，增强了传感器节点覆盖率。

图8 不同协议的监测区域覆盖率对比Fig 8 Monitoring area coverage rate comparison of different protocols

3.2.3 网络能耗比较

LEACH，DEEC，CARP 的节点剩余能量方差分布如图9 所示，从图9 可知，相对于LEACH，DEEC 协议，CARP 的节点剩余能量更加均衡，这主要是LEACH，DEEC 协议没有簇首选择和通信过程中没有考虑各节点的能量均衡问题，网络运行过程无线传感器节点的分化十分明显，节点间能量消耗差别较大，这样当剩余能量较少的节点作为簇首时，则节点死亡速度加快，缩短了整个网络的生命周期，而本文算法充分考虑了传感器节点的之间能量差异，较好地保证了各节点之间能耗均衡，提高了整个网络的能量利用率。

图9 不同协议的能量消耗变化曲线Fig 9 Energy consumption change curve of different protocols

4 结束语

为了延长网络生存时间，提高无线视频传感器节点能量的利用率，提出了CARP，该协议从簇首选择、簇内成员节点的形成、节点感知方向的调整以及簇内、簇间的通信方式等方面进行改进，并通过与当前经典的无线视频传感器网络路由协议进行仿真对比测试，分析CARP 的性能。仿真结果表明:CARP 不仅可以延长整个网络的生存时间，而且增大了监测区域的覆盖率，具有广泛的应用前景。

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