城轨无线传感网中链状分簇路由协议的研究

华吉宏，张璐，范毅，曲昕，赵慧

（1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连　116028；2.中国联通大连分公司 辽宁 大连　116028）

城轨无线传感网中链状分簇路由协议的研究

华吉宏1，张璐2，范毅1，曲昕1，赵慧1

（1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连116028；2.中国联通大连分公司 辽宁 大连116028）

本文为解决在城市轨道交通实际环境中无线传感器网络能耗不均、数据延迟和冗余等问题，通过设计并采用基于链式的分簇路由（LP）协议，并结合在NS2环境下对该无线传感器网络进行虚拟仿真，从网络能量的消耗、网络延迟以及汇聚节点接收到的数据量三个角度进行对比分析；得到实验结论，相对于分簇路由协议和链状路由协议网络，LP协议的网络延时降低了70%，网络能耗降低了50%，汇聚节点接收到的数据量提高了10%。LP协议有效地延长了网络的生命周期并且节省了网络的能耗，十分适合城市轨道交通这一特殊领域，达到了预期目的。

无线传感器网络；路由协议；簇头节点NS2；城市轨道

随着城市轨道交通的迅速发展，如何确保城市轨道列车安全高效的运行成为急待解决的课题，为实现这一目标，增强对行车设备中关键部分的监测能力就显得尤为重要。然而在城市轨道交通的实际环境中，对设备的实时监测基本无法人工完成，因此具有高效监测能力的无线传感器网络以其低功耗及低成本等优势，适用于城市轨道交通的实时监测环境中。

在城市轨道环境中，无线传感器网络的拓扑结构为带状，会带来网络能耗不均、数据延迟和冗余等问题，最终影响网络传输的总数据量，影响网络的传输性能。而无线传感器网络路由协议设计的首要目标就是提高网络的能量效率，延长网络的生存时间，降低数据传输时延，以提高网络的传输质量。因此能否设计出高效的路由协议，满足网络的性能要求，成为决定无线传感器网络生存能力的关键。

1　城轨WSN网络拓扑及路由设计思路

文中设计了一种链状路由分簇协议，其网络拓扑结构如图1所示，该拓扑结构就是在线形自组网的基础上，按照指定的路由协议将网络中所有的传感器节点分成无数个连通的簇，当网络体系发生改变时能自动更改簇的结构，使网络可以正常的运行［1］。

在该分簇拓扑结构中，如果没有指定的任务，传感器节点的通信模块是关闭的，这样可以节约很多能量，延长网络的生命周期［2］。综合城轨WSN的拓扑结构，其路由协议应具有可扩展性强、数据延迟低、数据传输可靠、能量均衡的特性。基于链状的分簇路由算法，充分利用了分簇路由算法将能量平均分摊到每一个节点的优点和链状路由算法节约节点能量的优点，从而有效的延长了网络的生命周期。

2　基于链状的分簇路由协议的设计

LEACH协议是一种低功耗自适应分层路由协议［3］。该协议的基本思想是将网络划分成多个簇，根据簇头节点安排的TDMA时间调度，簇内的成员节点将所采集的数据发送给簇头，簇头对接收到的数据进行融合处理后，再将数据直接发送给汇聚节点或终端用户。这样可以大大节省节点的能量消耗。PEGASIS协议是在LEACH协议的基础上提出的一种分层路由协议［4］，不过在该协议中，所有网络节点只形成一个簇，称为“链”。PEGASIS协议中由于采用单簇结构，簇头的可靠性非常重要，其故障或失效将导致路由失败并使整个网络无法正常工作；如果链过长，数据传输的时延将会增大，不适合实时应用。

图1　线性分簇拓扑结构

基于链状的分簇路由协议 （LP）按周期执行，单位是“轮”，每轮通信都分为两个阶段：簇的建立阶段和稳定数据传输阶段。簇的建立阶段又分为簇头的选举与调整、簇内链式拓扑结构的形成和再次成簇3个部分。在该算法中，首先运用LEACH算法将所有网络节点分簇，然后按照PEGASIS算法在簇内形成链式的拓扑结构，最后将各簇的簇头即链首节点重新成链。

图2　链式分簇路由协议流程图

2.1簇的建立

2.1.1簇头的选举与调整

在选取簇头前先将所有节点分簇。因为簇头在传送信息时，离汇聚节点越近消耗能量越小，为了控制并接收较多簇内节点传递的信息，延长网络的生命周期，该算法采用不均匀分簇方式，即离汇聚节点越远的簇其成员节点就越少，越近则成员节点就越多。为使网络性能达到最优，首先需根据网络实际情况选取最合适的簇头数量，再选取合适的节点担任簇头［5］。

假设在一个城轨网络监测区域为H×H的网络中有M个传感器节点，将这些节点划分成N个簇，则网络中就有N个簇头，每轮通信的过程中假设节点只发送单位量的信息，且忽略因数据融合而产生的能耗［6］。下面我们将通过对能量进行分析计算出网络的最优簇头数，在此基础上通过计算出的门限值选出合适的簇头。

每个簇头节点在一轮的通信中所消耗的总能量ECH，可分为簇内节点接收数据、融合数据和将融合后的数据发送到汇聚节点3个部分：

其中Eelse表示发射和接收单位信息消耗的能量，εmp表示簇头节点与汇聚节点通信时单位能耗的参数，ds表示簇头结点到汇聚节点的距离，EDA表示单位数据信息融合的能耗；

每个簇内在一轮通信中，非簇头节点到簇首节点消耗的能量：

其中εfs表示簇成员节点与簇头节点通信时单位能耗的参数，dτ为簇成员结点到簇头结点的距离。

在每个簇内，单位周期所需能耗为：则该网络中一轮的通信中N个簇所要消耗的总能量为：

由于该城轨检测区域的总面积为H×H，因而得出每个簇所占的面积S=H2/N，此面积为随机产生的区域，且假设每个簇的簇头节点都分布在簇中央，因此我们就能得到簇内任一节点到簇头节点的距离：

由于E（d2s）只与簇头节点到汇聚节点的距离有关，与簇头的个数N没有直接的关系，设Ls为汇聚节点到簇头节点的距离并和公式（6）同时代入公式（5）得：

（7）式中通过Eall对N求导，并使导数为零：

从上式（9）中我们可以发现，网络最优簇头个数只和网络区域的边长H，以及汇聚节点到网络区域中心距离有关，我们将在仿真初始时对此参数进行设置。

确定了簇头的个数，接下来要选取簇头。簇内在网络传输的过程中，由于簇头非常重要，消耗的能量也比其他节点多，因此簇头节点的能量应比其他节点高。首先根据计算得到的簇头数Nopt，按照不均匀分簇策略，将网络分成Nopt个簇，并选取每个簇中剩余能量最大的节点担任这一轮该簇的簇

就能得出最优簇头数Nopt的值为：头。这样就能保证某些节点不会因为能量消耗过快而提前宣布死亡。

2.1.2簇内链式拓扑结构的形成

当簇头形成后，各个簇内都会采用PEGASIS算法构成链式的拓扑结构，使原来的一条长链变成了无数的短链。在簇内，我们选取距汇聚节点最远的节点为此时的簇头节点即链首节点，该链首节点通过比较选出距离自己最近的节点加入到该链中，此时新加入链的节点就变成了新的链首节点，该链首节点继续前一链首节点的操作，一直到簇内的节点都加入到该链上。这样簇内的节点就形成了一条链式的拓扑结构。设B簇为离汇聚节点最近的簇且B3为该簇中距离汇聚节点最近的节点，则B3即为该链的链首节点，节点 B1、B2、B4、B5和B6的数据都要依次传送到B3，如图3所示。

图3　链上节点传送数据

2.1.3链首节点再次成簇

为了节省能量，避免每个链首节点分别向汇聚节点发送数据，本算法增加了再次成簇这一环节，当每条链的链首节点融合完本链的数据后，链首节点将再次形成一个簇，簇内也采用PEGASIS算法构成链式的拓扑结构，并直接选取离汇聚节点最近的那个节点为最终的簇头节点 （该链的链首节点）。设A、B、C分别代表不同的簇，由于第二阶段中，B簇为离汇聚节点最近的簇，所以在再次成簇这一阶段中，B3即为新的簇头，且A3、B3、C4形成新簇，数据传输方式如图3所示。

图4　成簇后节点传输分组

2.2稳定数据传输阶段

在稳定传输阶段，由于簇内采用的是链式的拓扑结构，所以数据都是从链尾节点传向链首节点，按照贪婪算法将数据传递到离自己最近的节点，按此重复的传输数据直到传递到链首节点，然后链首节点将接收的数据进行融合处理，再与其他簇的链首节点形成新的簇，再以同样的方式，将数据传送到新的链首节点，新链首节点将自己采集的数据与传递的数据进行融合后直接发送给汇聚节点。

3　仿真结果分析

本节将通过TCL/TK语言在仿真工具NS2环境下进行仿真，验证链状分簇路由协议在改善网络性能方面的优越性［7］。不失一般性地，在仿真实验场景中，我们选取城轨一站的距离进行仿真，假设节点的数目为N=40，汇聚节点（不包含在40个节点内）固定在一站的中央。具体实验数据如下表所示。

仿真实验将从网络中网络能量的消耗、网络延迟以及汇聚节点接收到的数据量3个角度将LEACH、PEGASIS、LP 3个不同协议进行对比分析。从图5可以看出，随着网络运行周期（即轮数）的增加，LP的能耗明显比LEACH的能耗低很多，这个优点在运行轮数未达到1000轮时更为突出；如图6所示是不同的算法在网络中总时延随着运行的轮数而变化的曲线，从图中可以看出LP的优势极为明显，当网络运行到第 500轮时，PEGASIS网络总时延大约是 500个单位，LEACH大约是600个，而LP的网络总时延大约是147个单位。从而得知PEGASIS协议网络总时延大约是LP协议网络总时延的3.4倍，而LEACH协议的网络总时延大约是其4倍。图7中LP协议的汇聚节点接收数据量在网络运行到400轮左右时也表现出极大的优势，每轮传输的数据量也较其他两种协议有所增加。

表1　仿真参数

图5　网络能耗与轮数的关系

由以上对比分析可以看出，LP协议内通过采用PEGASIS协议的链式拓扑结构，使得网络能耗大量减少。而又因为采用了LEACH协议中分簇策略，使得网络的总延时也大大地降低。最终还大大提高了汇聚节点接收到的网络传输数据量。因此，文中设计的基于链式的分簇路由协议更适合城轨这一特殊领域。

4　结束语

文中针对无线传感器中节点能耗分布不均以及信息时延大、汇聚节点接收到的数据量偏低等问题，并结合城轨中无线网络的分布特点，提出了基于链状的分簇路由协议，改善了分簇机制本身将导致节点能量负载不均衡的现象，并通过仿真实验验证了该协议能有效均衡网络能耗，延长网络生命周期，减小时延，最终增大汇聚节点接收到的传输数据量。由此可看出基于链状的分簇路由协议确实能使城轨无线网络得到优化。

图6　网络总时延与轮数的关系

图7　汇聚节点收到数据量与轮数的关系

［1］李方敏，徐文君，刘新华，等．无线传感器执行器网络中能量有效的实时分簇路由协议［J］．计算机研究与发展，2008，45 （1）：26－33．

［2］孙超，赵路路，张影，等．无线传感器网络分簇拓扑的覆盖区域节点调度优化算法研究［J］．传感技术学报，2010，23 （1）：116－121．

［3］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energyefficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks［c］.In Proceeding of the 33rd Annual Hawaii Int'l conf.on System Science.Maui：IEEE Computer Society，2000：3005-3014.

［4］Lindsey s，Raghavendra C.PEGASIS：Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems［C］.In Proceeding of the IEEE Aerospace Conference.Montana：IEEE Aerospace and Electronic Systems Society，2002：1125-1130.

［5］陶东.基于无线传感器网络LEACH路由协议的节能技术研究［D］.北京：北京交通大学，2011

［6］张小庆.基于分簇结构的无线传感器网络路由协议的研究与仿真［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

［7］刘勃兰，宋玲.基于NS2的移动自组网路由协议的仿真与实现［J］.计算机工程与应用，2007，43（6）：162-164.

Research on wireless sensor networks in urban rail chain clustering routing protocol

HUA Ji-hong1，ZHANG Lu2，FAN Yi1，QU Xin1，ZHAO Hui1
（1.School of Electrical&Information Engineering，Da Lian Jiaotong University，Dalian 116028，China；2.China Unicom Dalian Branch，Dalian 116028，China）

In this paper，in order to solve the energy consumption inequality，data latency，and redundancy and other issues ofWireless sensor networks at the UMT actual environment.Through the designing and using of the LEACH based on PEGASIS （LP）and the virtual simulation of wireless sensor networks in NS2 environment，it is analyzed from three angles like network energy consumption、network latencyand the amount of data aggregation node received.Concluded that，with respect totheLEACH and the PEGASIS，LP agreement reduce by 70%on network latency，reduce by 50%on energy consumption，improved by 10%on the amount of data aggregation node received.The LP agreement extends the network lifetime and saves energy network effectively，it is well suited to this particular area of urban rail transport and to achieve the desired purpose.

wireless sensor networks；routing protocol；cluster head nodeNS2；urban rail

TP393.04

A

1674－6236（2016）06-0022-04

2015-04-30稿件编号：201504319

华吉宏（1990—），女，安徽安庆潜山人，硕士研究生。研究方向：计算机应用与控制技术。