基于优化工作周期的EH-WSNs的簇路由

李素娟，张倩倩，刘世民

(1.鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030；2. 河南师范大学，河南 新乡 453007；3.内蒙古大学 电子系，呼和浩特 010020)

0 引 言

无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)已广泛应用于物联网(Internet of Tings, IoT)[1]。然而，能量消耗(能耗)是WSNs的最主要挑战之一。因此，扩延网络寿命是WSNs协议的最主要目标[2]。而簇协议被认为是扩延网络寿命有效技术[3]。

低能量自适应簇层(Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)是典型的簇协议，其将网络划分不同的簇，且每个节点以时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)方式向簇头(Cluster Heads, CHs)传输它的数据包。每TDMA帧结束后，簇头(CH)就融合已接收的数据包，再向信宿转发。由于CHs承担了较多任务，它们的能耗速率快，且CHs的能耗也不均匀。为此，文献[4-5]分析了能量和CH的选择问题。

文献[6]提出可变通信周期策略的能量均衡的LEACH改进协议，其通过将数据采集周期与数据通信周期分离，抑制数据传输量，进而降低能耗。文献[7]提出基于Dijkstra的LEACH的改进路由。利用Dijkstra决策簇头与基站间路由。而文献[8]利用节点能量和位置信息改进LEACH，降低节点能耗。

此外，文献[9-10]也讨论了多跳和多层的簇协议。尽管这些协议能够延长一定的网络寿命，但存在一些不足。如果WSNs中的节点具有能量中核操作(Energy Neutral Operation, ENO), 则WSNs具有能量采集能量，进而维持长久的网络寿命。ENO要求在较长时期内，节点所消耗的能量不超过所采集的能量[11]。因此，基于能量采集的WSNs(EH-WSNs)的簇协议得到广泛研究，如文献[12-16]。在文献[13]中，每个节点计算关于能量采集率和当前可用能量的能量潜力函数(Energy Potential,EP)。再利用节点的相对EP决策该节点被选为CH的概率。

文献[17]提出利用工作周期(Duty Cycling, DC)优化EH-WSNs中的ENO状态。文献[11]对基于电池状态、能量采集率、队列尺寸以及信道条件的不同DC策略进行了分析和讨论。对于每一个策略，它们均利用上、下限的门限值决定休眠与唤醒状态间的切换。通过讨价还价博弈(bargaining game)算法产生最优的门限值。由于节点间的能量采集率的不同，独立的DC可能产生同步问题。此问题可通过簇技术解决，如LEACH。

为此，结合DC技术和LEACH协议，提出基于优化工作周期的簇协议DC-LEACH。DC-LEACH协议利用能量中和操作，优化簇选择的DC和数据传输的DC。优化DC过程中充分考虑了节点的能量采集率。仿真数据表明，提出的DC-LEACH协议有效地提高网络寿命。因此，本文主要工作归纳以下两点：1)利用能量中和操作，设置簇选择的DC和数据传输的DC；2)在设置DC时，充分考虑节点的能量采集率。

1 预备知识

1.1 LEACH协议

LEACH协议将执行过程划分为多个轮，且每个轮由短的建立阶段和较长的数据传输阶段构成。在第t轮的建立阶段，如果产生的随机数据大于给定的门限值[18]，则节点z将称为CH：

(1)

此门限值确保了一旦已扮演过簇头的节点将再也不可能成为簇头，致使每个节点都有机会成为簇头。CHs通过发送beacons包将非CH节点(NCH)加入簇。NCHs将选择离自己最近的CH加入其簇。在建立阶段完成时，CH就向其簇成员CMs广播TDMA调度策略。

尽管LEACH协议具有较多优点，但是CHs选择并没有考虑到节点的剩余能量。因此，成为CHs的节点将首先消耗自己的能量，从而减少了网络连接，最终缩短了网络寿命。在能量感知的LEACH(EA-LEACH)协议中，CH的选择结合了网络内所有节点的能量采集状态，致使能量采集率较高的节点成为CH。因此，将式(1)的门限值修改为：

(2)

1.2 能量模型

假定太阳能量源的强度I0(W/m2)在全天随时间变化，但是在30 min内仍趋于常数[17]。在时间范围Thor内所采集的平均能量仍可利用EMWA模型[21]进行估计。每个节点z有不同的采集功率ηz，其对应太阳板尺寸ξz，且太阳板的能量效率为ζz。ζz反映了障碍物、云层等物体所产生的阴影效果。

假定发生阴影过程为泊松分布，且对于所有节点的到达间隔率为λ。因此，在Thor内，节点z的平均EH率为：

(3)

2 DC-LEACH协议

DC-LEACH协议中，每个节点依据CH的DC(CH-DC)成为CH。如果未成为CH，节点就调整数据传输DC(DT-DC)，且保证它的数据包在帧内能够被传输。DC-LEACH协议以分布方式设计DC，并保证CHs的比例。

相比于LEACH协议，DC-LEACH协议存在三点不同：1)确保了EH-WSNs的ENO，并扩延了WSNs的网络寿命；2)基于ENO，设计了CH选择的DC和数据传输的DC；3)推导了CHs的比例。

2.1 CH-DC的设计

与LEACH的随机化产生CHs策略不同，DC-LEACH协议的中节点服从CH-DC(DCH)，进而决定在Thor内成为CH的频率。例如，如果DCH=5，则说明节点在每5轮内才成为一次簇头。

在每轮Lhor的开始，依据式(4)计算DCH：

(4)

在每一轮，节点就利用自己的计算器，每经过一历，计算器就加一，当累加到DCH时，节点就成为CH。成为CH后，并将DCH设置为1，表示进入值日轮。

为了维持CHs覆盖比例，每个节点的计算器初始均为0(Num=0)。每经历一轮，计算值Num就加一。当Num等于DCH时，节点就成为簇头，并将DCH设置为1，表明进入值日轮，需要融合簇内成员节点数据，再转发至信宿。若在DCH=1时，仍没有足够的能量(所拥有的能量小于所消耗的能量)，就等待到下一轮，直到能量能够满足，才进入值日轮。流程如图1所示。

图1 CH-DC的工作流程

(6)

2.2 DT-DC的设计

在TDMA协议中，当节点在非分配时隙内，就直接执行周期的唤醒/休眠策略。在LEACH协议中执行TDMA策略将导致每NCH节点将经历一个平均DC尺寸。然而，如果预期收集能量仍不足维持一个ENO，可通过跳跃多个帧所分配的时隙，减少DC时间。

此外，依据数据包到达率ρ(Packets/second)调整DC。当不需要传输数据包时，可以关闭发射器，进而保存能量。因此，基于能量采集功率和数据包到达率定义DT-DC(DDT)。DDT规定了使用TDMA帧的比例。例如，如果DDT=3，则表明节点在每3个TDMA帧使用一个分配时隙。

(7)

然后，节点依据能量收集率、数据包到达率的DC，如式(8)、(9)所示：

(8)

(9)

因为建筑企业整体安全制度缺乏一定完善性，由此就使得安全事故的发生率翻倍。当下很多建筑企业所制定的安全施工制度都未达到相应的标准，并且整体制度当中的很多内容也无法与作业人员的责任连接在一起，使其责任心降低，从而导致施工管理工作并未依照相应的标准进行。

(10)

与CH-DC的设计类似，当NCH轮可用的平均能量高于在每帧内传输数据所消耗的能量，则DT=1。相反，如果剩余能量低于所需要的能量，则DT=0。DT=0表明节点在整个轮内保持休眠状态。

2.3 簇头比例的优化

簇头CHs数影响了网络吞吐量和时延。给定数据包到达率ρ和应用层所可容忍的时延Δmax下，最大可能的帧时长：

(11)

通过式(11)，可推导最小的CHs数：

(12)

(13)

(14)

其中Eagg、Esetup分别表示在数据融合、簇建立阶段所消耗的能量。类似地，每轮NCH节点所消耗的能量，其关于k的函数[20]：

(15)

3 性能仿真

3.1 仿真参数

利用Castalia仿真软件建立仿真平台，其是基于OMNeT++平台的嵌入式设备的WSNs仿真器。假定100个节点随机分布于边长为M=50 m的方形区域，而信宿位于离区域中心距离100 m处。依据Castalia软件默认的对数正态阴影无线模型，假定路径衰落指数为2.0。发射器CC1000在物理层，且其发射功率在-20 dB～10 dB变化。

在休眠式时，芯片消耗0.6 μW，而唤醒与休眠间切换所消耗的能量为0.5 μW，切换时间为0.2 ms。其他的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

为了更好地分析DC-LEACH协议性能，选择传统的LEACH和EA-LEACH协议进行比较，且它们在仿真图中分别标记为C-LEACH和EA-LEACH。

3.2 数据分析

首先分析太阳能强度I0对吞吐量的影响，实验数据如图2所示。

图2 吞吐量随I0的变化情况(ρ=0.5)

从图2可知，在高强度下(I0=900 W/m2)，EA-LEACH协议的吞吐量并不高于C-LEACH协议的吞吐量。原因在于：EA-LEACH协议中几乎所有的节点均可能成为CHs。而提出的DC-LEACH协议的吞吐量比EA-LEACH和C-LEACH协议提高了约19%。这主要是因为DC-LEACH协议引用DT-DC机制。此外，值得注意的是，在低强度下时，DC-LEACH协议在吞吐量方面上的优势更大。例如，当I0=100 W/m2时，相比于EA-LEACH协议，DC-LEACH协议的吞吐量提高了近200%。

图3分析了数据包到达率对平均吞吐量的影响，其中I0=500 W/m2。

图3 吞吐量随数据包到达率的影响(I0=500 W/m2)

从图3可知，高的数据包到达率降低了网络吞吐量。原因在于：在高数据包到达率情况下，低的太阳强度限制了能够传输的数据包数。此外，与EA-LEACH协议相比，提出的DC-LEACH的吞吐量得到提升，并且随数据包包到达率速度提升的下降速度更缓慢。例如，当数据包到达率提升一倍时，DC-LEACH协议的吞吐量下降了约26%，而EA-LEACH协议的吞吐量下降了约32%。

最后，分析了节点初始电能对各协议的吞吐量和网络寿命的影响。实验数据分别如图4、5所示。

图4 吞吐量随电池初始能量的变化情况

从图4可知，随着节点的初始能量的增加，各协议的吞吐量也随之增加。原因很简单：节点初始能量越高，失效节点越少，工作的节点也越多，进而网络吞吐量也就越高。与C-LEACH和EA-LEACH协议相比，提出的DC-LEACH协议在电池能量变化区间，均具有较高的吞吐量。

图5 网络寿命随初始能量的变化情况

图5显示了各协议的网络寿命随初始能量的变化情况，其中网络寿命是指从网络部署开始至第一节点失效时的时间。与C-LEACH和EA-LEACH协议相比，提出的DC-LEACH协议的网络寿命得到很大的提高。例如，当电池初始能量为2.175 mAh，DC-LEACH协议的吞吐量比EA-LEACH协议的网络寿命提高了仅90%。

4 结 语

本文能量采集无线传感网络，提出基于DC设计的簇协议DC-LEACH。DC-LEACH协议以LEACH协议为基础，利用ENO产生簇头，并依据数据包到达率和能量采集率设计数据传输的DC，进而提高能量效率。实验数据表明，与C-LEACH和EA-LEACH协议相比，提出的DC-LEACH协议提高了吞吐量和网络寿命。后期，考虑将节点位置融入DC设计、层次和多跳簇协议中。