無線傳感器執(zhí)行器網絡模型研究

無線傳感器執(zhí)行器網絡模型研究

無線傳感器網絡（無線傳感器網絡）是近年來發(fā)展起來的一種新型、無基礎設施、自組織無線網絡。它起源于無線傳感器網絡（無線傳感器網絡，無線傳感器網絡），由眾多傳感器（sensor）和執(zhí)行器（活動器）組成，并通過無線傳感器網絡執(zhí)行分布感和執(zhí)行任務。由于同時存在傳感器與執(zhí)行器這兩種異構節(jié)點,因而WSANs與WSNs相比存在著許多區(qū)別.在WSANs網絡中根據相關應用的需要,執(zhí)行器節(jié)點對于傳感器節(jié)點輸入的信息需要能夠迅速反應,并且由于WSANs主要應用于自動控制領域,故其最核心的問題就是系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性.此外,如何降低網絡能耗是在滿足系統(tǒng)實時性與穩(wěn)定性要求的前提下WSANs所同樣需要考慮的.一系列已有的研究表明,網絡拓撲控制對無線自組網絡性能影響顯著,良好的拓撲結構能夠提高路由協議和MAC協議的效率.基于此,本文從實時性和穩(wěn)定性角度出發(fā),同時兼顧網絡的能量有效性,提出了一種可適用于WSANs的能量有效的實時分簇路由協議.1執(zhí)行器節(jié)點感知域覆蓋模型在WSANs中,傳感器監(jiān)測到相關信號后立即將信息傳送給相應的執(zhí)行器節(jié)點,執(zhí)行器節(jié)點則迅速做出反應并采取行動,并將該事件信息通過Sink節(jié)點及時發(fā)送給監(jiān)控中心.傳感器節(jié)點由于成本低廉,功能較弱,因此可以被大規(guī)模地部署在監(jiān)測區(qū)域.而執(zhí)行器節(jié)點由于功能強大、成本造價高、故數量遠遠小于傳感器節(jié)點,往往只需其作用域覆蓋事件區(qū)域即可,如圖1所示:文獻提出了一種WSNs的簡單傳感器節(jié)點感知域覆蓋模型,這是覆蓋問題最基本的情況.本文依據文獻提出的模型,將傳感器節(jié)點設為執(zhí)行器節(jié)點,感知域設為作用域,建立了WSANs中執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行域覆蓋的模型.即若要保證以P為概率可靠地控制某個面積為S的區(qū)域,執(zhí)行器作用半徑為R,則至少部署執(zhí)行器節(jié)點的數量為n=log(1-πR2S)(1-Ρ)=lg(1-Ρ)lg(1-πR2S).(1)n=log(1?πR2S)(1?P)=lg(1?P)lg(1?πR2S).(1)在本文的系統(tǒng)模型中,傳感器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點組成一個異構網絡.N個傳感器節(jié)點與通過式(1)計算所得的n個執(zhí)行器節(jié)點分布在一個矩形區(qū)域S內.2傳感器？執(zhí)行器網絡中有效的實時功率規(guī)劃和通信2.1基于lapc與rpar協議的分簇算法從網絡拓撲結構的角度,無線自組織網絡的路由協議可分為兩類:平面路由協議和分簇路由協議.在平面路由協議中,所有節(jié)點的地位是平等的,不存在等級和層次差異.對于網絡的實時相關性能要求,文獻分別提出了可有效降低網絡延時的平面路由協議——LAPC協議和RPAR協議.LAPC協議基于功率控制技術,根據網絡的負載狀態(tài),動態(tài)地調整發(fā)射功率大小來降低通信延時.RPAR協議則是針對傳感器網絡設計,根據由實測數據得到的分析結果,結合動態(tài)速率分配、延時估計、轉發(fā)選擇和鄰居節(jié)點管理等4種策略,在保證消息實施傳遞的同時盡可能降低網絡能耗.這兩種協議在網絡實時性上均有較好表現,但是,LAPC協議未考慮網絡節(jié)點的移動和拓撲的改變,RPAR協議在前提條件中設定每個節(jié)點知道自身位置,這使得協議在真實環(huán)境中的應用存在較大的局限性.此外,這兩種協議分別是基于AdHoc網絡和傳感器網絡提出的,在設計時并未考慮執(zhí)行器節(jié)點的存在.LAPC協議和RPAR協議均屬于平面路由協議.由于平面路由協議要求所有節(jié)點均具有路由功能,因此會導致節(jié)點因能耗過快而失效,網絡的拓撲結構也經常發(fā)生變化.并且隨著網絡規(guī)模的增大,路由開銷將急劇增加,網絡性能也大大降低.因此,對于大規(guī)模無線自組網絡,分簇路由算法是延長節(jié)點生存期限、提高路由性能與網絡穩(wěn)定性的有效途徑.LEACH是一種最具代表性的分簇路由算法,它的成簇思想貫穿于其后發(fā)展出的很多分簇路由協議中.但是LEACH算法不僅存在著理論上的缺陷,并且過多的前提條件使其很難在真實環(huán)境中適用.文獻提出了一種無前提假設并可在實踐環(huán)境中適用的分簇算法,但該算法在完成網絡分簇后仍存在未入網節(jié)點.文獻對基于文獻提出的算法進行了改進,避免了未入網節(jié)點的存在.然而,由于執(zhí)行器節(jié)點的存在以及系統(tǒng)對于實時性的要求,上述兩種分簇算法很難在WSANs中直接適用.但是,由于WSANs與WSNs存在著許多相同的特點,因此許多傳感器網絡現有的技術成果仍可借鑒到WSANs中.文獻針對WSANs提出了一種3層網絡的架構模型,在模型中傳感器節(jié)點首先進行分簇,簇首節(jié)點再與執(zhí)行器節(jié)點形成簇類,消息最終在執(zhí)行器節(jié)點間完成傳遞.然而,文獻僅提出了網絡的架構模型,并未提出算法的具體實現機制.由于執(zhí)行器節(jié)點較傳感器節(jié)點具有更強的性能,本文針對此特點利用執(zhí)行器節(jié)點的強大通信能力,結合文獻的相關機制提出了一種適用于WSANs的能量有效的實時分簇路由協議(real-timeenergy-awarecluster-basedroutingprotocol,RECRP).2.2wsns的網絡架構RECRP協議由“網絡一次成簇”、“網絡二次成簇與鄰居節(jié)點管理”、“路由生成”、“傳感器簇首節(jié)點輪換”等4部分組成.RECRP協議首先使WSANs中的傳感器節(jié)點完成一次成簇,接著,推選出的傳感器簇首節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點完成網絡的二次成簇,使整個WSANs形成一個由“傳感器從節(jié)點-傳感器簇首”、“傳感器簇首-執(zhí)行器節(jié)點”和“執(zhí)行器節(jié)點-執(zhí)行器節(jié)點”組成的3層網絡架構.網絡完成分簇工作后,協議采用實時相關、能量有效策略進行消息的傳遞,從而在保證實時性能的同時有效降低網絡能耗.當一輪數據傳輸結束后,協議通過簇首節(jié)點輪換機制使各傳感器節(jié)點均勻消耗能量,從而達到進一步延長網絡生命周期的目的.1基于lsc的wsns算法文獻中提出了一種能動態(tài)適應網絡拓撲變化,使所有節(jié)點穩(wěn)定成簇并可有效避免未入網節(jié)點現象的傳感器網絡分簇算法LSC,RECRP協議采用LSC算法的策略完成WSANs的一次成簇工作.在以后的數據傳輸輪次中,簇內的各節(jié)點將輪換擔任簇首節(jié)點,以達到延長網絡生命周期的目的.2基于監(jiān)測距離的節(jié)點通信一次成簇工作結束后,網絡中存在著傳感器從節(jié)點、傳感器簇首節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點這3類節(jié)點.LSC算法為了保證網絡的連通性采用了兩種發(fā)射功率水平,簇首節(jié)點通信距離被設定為從節(jié)點通信距離的兩倍.在文獻中,LAPC協議使用3級發(fā)射功率控制策略來降低傳輸延時.RECRP協議也采用3級功率控制策略,與LAPC協議不同之處在于網絡中3種不同的節(jié)點分別具有不同的發(fā)射功率水平,其中,從節(jié)點通信距離Rs、簇首節(jié)點通信距離Rh和執(zhí)行器節(jié)點通信距離Ra的關系為Rs∶Rh∶Ra=1∶2∶4.(2)Rs∶Rh∶Ra=1∶2∶4.(2)以此在保證網絡連通性的同時,利用執(zhí)行器節(jié)點提升網絡實時性能.網絡進入二次成簇階段后,所有的執(zhí)行器節(jié)點均成為簇首節(jié)點,而在一次成簇階段推選出的傳感器簇首節(jié)點則成為從節(jié)點.二次成簇開始時,各執(zhí)行器節(jié)點在隨機退避一段時間后,以通信距離Ra廣播發(fā)送一個控制幀BEACA,收到BEACA的傳感器簇首節(jié)點則將該執(zhí)行器節(jié)點的信息記錄下來.執(zhí)行器節(jié)點與傳感器簇首節(jié)點之間通信距離的不對稱會使得一些接收到BEACA傳感器簇首節(jié)點無法直接與執(zhí)行器節(jié)點通信.對于此,RECRP協議采用鄰居節(jié)點管理策略來保證整個網絡的連通.如圖2所示,若傳感器簇首節(jié)點能夠與執(zhí)行器節(jié)點直接通信,則將相應的執(zhí)行器節(jié)點設置為自身的鄰居節(jié)點;若傳感器簇首節(jié)點無法與執(zhí)行器節(jié)點直接通信,則在執(zhí)行器節(jié)點廣播控制幀結束后的一段時間內,通過廣播BEAC將能夠與執(zhí)行器節(jié)點完成一跳通信的傳感器簇首節(jié)點維護為自身的鄰居節(jié)點,并將該節(jié)點的信息記錄在自己的鄰居列表中.在一段固定時間內,傳感器簇首節(jié)點若未能找到鄰居節(jié)點,則成為未成簇節(jié)點.傳感器簇首節(jié)點的狀態(tài)變化如圖3所示.網絡的二次成簇完成后,WSANs形成由“傳感器從節(jié)點-傳感器簇首”、“傳感器簇首-執(zhí)行器節(jié)點”和“執(zhí)行器節(jié)點-執(zhí)行器節(jié)點”組成的3層通信網絡架構.3消息傳遞給自身的區(qū)分節(jié)點WSANs中最關鍵的問題是系統(tǒng)的實時性和可靠性,此外,網絡的能量效率也是需要著重考慮的方面.因此,WSANs路由協議設計的主要原則即是在保證系統(tǒng)實時性和可靠性的前提下,盡可能提高網絡能量效率,延長系統(tǒng)的生存時間.分簇工作完成后網絡進入路由生成階段.在RECRP協議中設定了3級發(fā)射功率,傳感器從節(jié)點采用最小的發(fā)射功率進行消息的傳遞,而執(zhí)行器由于能量多、通信能力強,故采用最大的發(fā)射功率.協議中消息傳遞的核心思想就是將在第1層次網絡采集到的信息迅速交付給第3層次網絡,利用執(zhí)行器節(jié)點強大的通信能力最終將消息傳遞給相應目的節(jié)點,如圖4所示:當傳感器從節(jié)點感測到數據后,將消息傳遞給自身的簇首節(jié)點.若簇首節(jié)點維護的鄰居列表中存在可一跳完成通信的執(zhí)行器節(jié)點,則將消息傳遞給該執(zhí)行器節(jié)點;若無法與執(zhí)行器節(jié)點完成一跳通信,則在鄰居列表中查找能夠與執(zhí)行器進行一跳通信的鄰居簇首節(jié)點.針對不同的執(zhí)行器節(jié)點,協議根據式(3)選擇最小成功發(fā)射功率積累值P最少的兩跳路徑傳遞消息給相應的執(zhí)行器,Ρ=Μin(Ρm-hop1+Ρm-hop2)n?(3)其中,Pmhop1為第1跳最小功率值,Pmhop2為第2跳最小功率值.此后,消息在執(zhí)行器節(jié)點間傳遞到目的節(jié)點.文獻根據能量和隊列長度相關的路徑權值完成路由的選擇,RECRP協議依據文獻的相關機制,也采用計算路徑權值的方法,基于分簇網絡來選擇最優(yōu)的消息傳遞路徑.針對WSANs的應用,協議主要關注于通信能耗與傳遞延時這兩個性能指標.首先,根據式(4),(5)判定各條路徑的可用性:Wdelay=n∑i=1Τitrans?(4)Wrequest>c×Wdelay?(5)其中,Titrans為第i跳的單跳延時,Wdelay為路徑延時,Wrequest為系統(tǒng)延時要求,c為調整參數.只有延時權值小于系統(tǒng)延時要求的路徑才具有可用性.接著,根據式(6)計算各條可用路徑的能量權值:Wenergy=n∑i=1(ΡitxEiremain+Ρi+1rxEi+1remain)×(1+Νiretrans)?(6)其中,Pitx與Pi+1rx分別為節(jié)點i的發(fā)射能耗與下一跳的接收能耗,Eiremain為節(jié)點的剩余能量,Niretrans為節(jié)點在上一次成功傳輸前的傳輸次數.最后,根據式(7)計算各條可用路徑的權值:Wj=(α×Wenergy+β×Wdelay)j?(7)其中,α,β為用來平衡能量和延時參數的調整因子.RECRP協議對W權值進行排序,選取權值最小的路徑作為消息的傳遞路徑,并將其他N條可用路徑作為備用路徑.RECRP協議基于3層分簇的網絡結構,根據實時相關、能量有效的權值選擇最優(yōu)傳遞路徑,從而使系統(tǒng)在保證實時性能的同時,取得較好的能量效率.4節(jié)點變換網絡拓撲結構RECRP協議通過簇首節(jié)點輪換機制均勻網絡能量消耗,并維護網絡拓撲結構.當一輪數據傳輸結束后,在簇內選擇能量參數值Oij最小的傳感器節(jié)點輪換為簇首,Oij為簇i中的節(jié)點j本輪通信結束后的所剩能量Enew值.RECRP協議簡化了WSANs的網絡拓撲結構,路由開銷主要集中在少量的執(zhí)行器節(jié)點間,抑制了過多冗余消息的產生.通過實時相關、能量有效的權值優(yōu)化算法選擇最優(yōu)路徑進行消息的傳遞,以簇首節(jié)點輪換機制均勻網絡能量消耗,在保證WSANs系統(tǒng)實時性能的同時,有效提高網絡能量有效性能.3仿真實驗評估我們采用NS2和Matlab作為仿真實驗平臺,從網絡的連通性與穩(wěn)定性、網絡延時、能量有效性等3方面對RECRP協議進行評估與分析.在仿真實驗中,傳感器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點被部署在一塊1000m×1000m的矩形目標區(qū)域中,具體實驗參數設置如表1所示:3.1基于成簇的網絡拓撲結構仿真網絡的連通性與穩(wěn)定性是衡量WSANs這類無線自組織網性能的重要指標之一.在實驗場景中,300個傳感器節(jié)點被隨機部署在一個1000m×1000m的區(qū)域內.各類節(jié)點中,傳感器從節(jié)點的發(fā)射范圍為100m,根據式(2)則傳感器簇首節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點的發(fā)射范圍分別為200m和400m.由式(1)可計算出所需執(zhí)行器節(jié)點的數量為7,為了使執(zhí)行器節(jié)點的作用域完全覆蓋目標區(qū)域且連通性良好,7個執(zhí)行器節(jié)點如圖5所示部署在目標區(qū)域中:通過實驗仿真,圖6、圖7分別示出了算法中一次成簇與二次成簇后的網絡拓撲結構.從圖中可以看出,網絡經過一次成簇后,傳感器簇首節(jié)點被推選出來,所有的從節(jié)點均在相應的簇首節(jié)點的通信范圍內.經過二次成簇后,所有被推選出的傳感器簇首節(jié)點均以一跳或兩跳形式與相應的執(zhí)行器節(jié)點形成簇類.圖8示出了在15次成簇過程中傳感器簇首節(jié)點、從節(jié)點、未連通節(jié)點的數量.從圖中可以看出,在歷經15次成簇過程后,簇首節(jié)點、從節(jié)點的數量變化始終趨于平穩(wěn),無未連通節(jié)點.這表明在每次成簇過程中,各類節(jié)點產生的數量維持穩(wěn)定,無異常變動,因此RECRP協議具有良好的網絡穩(wěn)定性.3.2節(jié)點密度對網絡平均延遲的影響采用網絡平均延時來衡量RECRP分簇路由協議的實時性性能,并以實際工程應用中典型的平面路由AODV協議和基于LSC算法的AODV協議作為對象進行比較分析.所謂網絡平均延時是指一個封包從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點所消耗的平均時間.在仿真場景中,源節(jié)點(坐標100,100)向Sink節(jié)點(坐標900,900)發(fā)送消息.根據場景仿真,分別得到上述3種協議的網絡平均延時隨節(jié)點數量變化的比較圖,如圖9所示.在不同的節(jié)點密度場景下,AODV協議中源節(jié)點成功發(fā)送一個封包到目的節(jié)點所消耗的平均時間最長,LSC-AODV的平均延時低于AODV,而RECRP協議的網絡平均延時最短.并且隨著節(jié)點數量的增加,雖然3種協議的網絡平均延時都隨之增加,但比較而言,AODV的延時增長趨勢較快,而LCS-AODV以及RECRP的延時增長趨勢則相對平緩.這表明在WSANs中,RECR