一种应用于机场廊桥监控网络的路由算法*

林家泉， 程绪宇, 陈维兴

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)

一种应用于机场廊桥监控网络的路由算法*

林家泉， 程绪宇, 陈维兴

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)

针对民航机场廊桥监控网络在机场停机坪现场测试中暴露的网络节点过早死亡、网络生命周期短的问题，对该系统无线网络架构中路由层算法进行优化，采用基于剩余能量和位置的改进LEACH算法，根据网络环境的因素综合考虑节点剩余能量、网络平均剩余能量以及节点位置，分步选出最优簇头，同时，采用能量估算方法确定网络平均剩余能量，达到均衡网络能耗且延长网络生命周期的目的。最终利用Matlab软件对民航机场廊桥监控管理系统建模仿真， 仿真结果表明:提出的算法比网络原有路由层LEACH算法在均衡网络能耗和提高网络生命周期上均具有优越性。

民航设备； 无线传感器网络； 路由层； 最优簇头； 能耗估算

0 引 言

目前，飞机在地面作业过程中利用桥载设备取代机载能源装置获得制冷空气和电力已经在诸多航空公司采用[1]，但由于桥载设备不能及时检测隔离自身故障或者桥载设备对某些工况参数不能实时检测和有效控制，从而导致航空安全事故或者隐患，国内某些机场曾陆续发生过桥载电源烧毁飞机机载设备事件，造成了巨大的社会影响和经济损失,可见，对桥载设备及其周边环境的实时监控是非常重要的。基于物联网的机场廊桥监控网络用来对飞机客舱、飞机机身、机坪环境、桥载设备进行数据采集和实时监控，完成对桥载设备的数据统计分析、健康信息采集处理等要求，保证其安全使用具有重要意义。

但在监控网络生存方面其依然存在一些亟待解决的问题，主要体现在无源网络节点过早死亡，区域信息无法完全感知、网络生命周期过短，本文将对此进行解决方法的研究、设计和验证。

1 机场廊桥监控网络

1.1 机场廊桥监控网络

机场廊桥监控网络[2]主要包括设备现场监控系统和管理中心系统，主要由无线感知层节点、现场数据集中器(基站)、服务器以及相关网络设备(网关、交换机)集成。工作原理是：传感器类节点采集桥载设备健康和工况数据、环境数据；每机位安装一台现场数据集中器，现场数据集中器将收集所有无线感知节点输出的数据，在处理后经由停机位信息点(LAN接入点)和候机楼内网络上传至服务器，再由服务器根据监测数据进行处理和控制，从而实现对桥载设备运行工况和故障的实时监控，如图1所示。

因为桥载设备工作在户外，工作环境较为恶劣，民航安全性要求较高，对廊桥周边设备进行数据采集的传感器节点布置比较分散，且对飞机客舱、飞机机身以及远机位廊桥的监控，采用有线方式将导致布设和维护成本与难度均较大，所以,采用无线方式。

图1 机场廊桥监控物联网结构Fig 1 Configuration diagram of airport lounge bridge monitoring network

1.2 网络缺陷分析

在机场停机坪测试过程中，现场暴露了一些由于无线传感器网络(WSNs)造成的问题，主要体现在网络能耗方面：

1)网络节点过早死亡，区域信息无法完全感知。

2)网络能耗大，网络生命周期较短。

究其原因，一方面是机场廊桥监控网络呈现的工作特点，桥载设备工作地点相对集中，无线节点分布不均匀;另一方面，LEACH协议[3]因为其较好的稳定性和较强的自组织能力被选作该网络的路由协议，但LEACH协议本身也存在一些瑕疵：

1)簇头选择随机性强，一些位置极其不适合成为簇头节点的节点成为了簇头，影响了网络效率，增大能耗。

2)簇头的选举是等概率产生的，没有考虑不同节点之间能量的差异,剩余能量低的节点若被选作簇头，很容易导致能量耗尽而死亡。

针对以上问题，文献[4]提出的改进算法 LEACH-C，引入剩余能量来竞选簇头，由节点告知基站自身位置和剩余能量信息，基站进行优化运算，再将结果广播给网络中的各个节点。但在这种算法中，网络需要交互更多位置信息，能耗加大，同时导致时间延迟，节省的有用能耗通常不能抵消浪费能耗，算法还需进一步改善。文献[5]引入上一轮节点剩余能量、簇平均能量、消耗能量三个参数重新改进LEACH 中阈值T(n)[3]，降低低能量节点当选簇头的概率，进一步提高簇头选择的合理性。除了剩余能量外，距离信息的引入也可以使所形成的簇在簇内的通信代价进一步缩小。

综合以上因素，本文提出了改进LEACH算法，通过引入节点剩余能量、网络平均剩余能量以及节点位置信息，完善簇头选取策略，均衡网络能耗，避免个别节点过早死亡，并采用能量估算法方法估算网络能耗，最终均衡网络能耗且提高了网络整体生命周期。

2 改进LEACH算法

2.1 算法描述

在本文提出的改进LEACH算法设计中，对于簇头选择，结合节点剩余能量、网络剩余能量、节点几何位置来确定。改进算法流程如图2所示。

图2 LEACH改进算法建簇阶段流程Fig 2 Clustering stage process of improved LEACH algorithm

簇头节点选择的过程：

1)在无线传感器节点连接前期，各节点以相同的功率和自己相邻的节点进行通信，并告知自己的状态、坐标位置信息。

2)根据阈值计算公式选出临时簇头，并将该信息通过广播信道通知周围的临近节点。

3)各个传感器节点计算自己当前剩余能量，并与估算得到的传感器网络平均剩余能量比较，推选出备选簇头。

4)临时簇头计算出本簇的质心，并广播给备选簇头。

5)备选簇头经过比较选出距离本簇质心距离最近的节点作为本簇的簇头。

6)簇头节点选择后，簇头向簇内成员广播自己簇头身份。

7)等待簇搭建完成，建立层次结构进行数据传输。

通过两轮的比较和筛选，选择出最优簇头，此外，本文在稳定运行阶段采取能耗估算方法获得网络平均剩余能耗，如图3所示。

图3 LEACH改进算法稳定运行阶段流程Fig 3 Flow chart of improved LEACH algorithm in stable operation stage process

2.2 正式簇头选择

在选出的备用簇头里面确定本簇的最终簇头，需结合本簇质心进行选择。将一个簇看做是由N个质点组成的质点系，m1，m2,…，mi,…,mn分别表示各质点的质量，代表各个节点传输的数据量。r1,r2,…,ri,…,rn分别表示各质点对某一坐标原点的位置矢量和传感器节点到基站的位置矢量，则该簇质心位置矢量rc为

可见，在对学生英语语用能力培养的教学上，首先，量表可以对教学内容有一定的启发作用。量表是面向实际使用来制定的，因此工科院校的英语语用能力的培养教学内容也应该集中于具体的语言活动，以活动为中心，在丰富的语言活动中让学生体会到语言运用技巧，以达到培养学生英语综合能力的目的。

(1)

利用位置矢量沿指教坐标轴的分量，可得到质心的坐标表达式

(2)

在选择完剩余能量高于网络平均剩余能量的节点后，比较这些节点与该簇质心的距离，距离最小的被视为正式簇头。

结合剩余节点能量和簇内质心的方法选择簇头可以很好地解决能耗不够均衡的问题，但通过传统的广播方式获得网络剩余能量会因为数据量过大造成能量消耗过大，得不偿失，为此，本文提出的改进LEACH算法引入了能耗估算方法。

2.3 LEACH能耗估算方法

2.3.1 无线通信能量消耗模型[3]

研究低功耗的无线通信时，不同的通信特征和假设模型会很大程度地影响算法性能，本文采用经典的无线通信能量消耗模型，如图4所示。

图4 无线通信能量消耗模型Fig 4 Energy consumption model for wireless communication

(3)

节点接收kbits的数据消耗的能量为

ER(k)=k·Eelect.

(4)

其中，Eelect为1 bit数据在发射电路或接收电路中所消耗的能量。常数εfs和εmp与所采用的传输信道模型有关，εfs为自由空间传输，εmp为多路径衰减传输。d为发射端到接收端的距离，联立上述两式可以计算出临界距离

(5)

2.3.2 能耗估算方法

将机场廊桥及其周边抽象成一个L×W×H的长方体空间，基站位于几何中心，并在区域内部署n个无线传感器节点。假设将整个网络的节点分为m个簇，并完成分簇。在稳定运行阶段，簇头接收来自簇内成员发送的信息，经过数据融合后发送到基站，同时簇头自身也有监测数据需要发送，假设每次传输的数据均为kbits，那么根据无线通信能量消耗模型一轮通信结束消耗簇头节点的能量近似表示为

(6)

式中EDA为对kbits数据进行融合所消耗的能量，DA为数据经融合后所得数据量与数据融合前的数据量的比。

非簇头节点的能耗为

(7)

在上式中，两个距离dCH和dBS是计算能量的两个核心参数，虽然可以通过网络自己对距离进行测量，并互相通知来完成对整个网络能量消耗的相对精确的计算，但簇头节点每轮都在变换，通过广播的方式进行距离数据采集网络能耗很大，因此,可以通过估算两个距离的期望值来代替准确值来节约能量，可通过以下方法估算

(8)

式中 (xB，yB,zB)为基站的坐标，基站位于空间几何中心,则得出结果为

(9)

(10)

式中 (xC，yC，zC)为长方体簇几何中心坐标，由此可计算

(11)

一个簇消耗的能量为

(12)

整个网络一轮的能耗表示为

(13)

通过最终的网络能量消耗公式任何一个节点都可以通过加减乘除四则运算估算出当前网络平均剩余能量，这样既减少了网络整体的能量消耗，又满足传感器节点对计算的要求。

3 算法仿真验证

根据系统现场情况建立Matlab仿真环境，将机场廊桥环境近似成为边长为100 m的立方体，传感器节点随机分布在仿真空间内，如图5所示。

图5 传感器节点分布图Fig 5 Distribution diagram of sensor node

不考虑节点传输中的相互干扰和时间同步问题，MAC层采用802.15.4协议，主要仿真参数设置如表1。将两种算法的仿真结果进行比较。

表1 仿真场景参数设定Tab 1 Parameter setting of scene simulation

在同样参数条件下通过与LEACH和改进LEACH算法仿真结果进行比较，验证其在提高网络存活时间的可能性。图6显示了在同样的仿真次数内，节点在LEACH算法和改进LEACH算法下的存活数比较，LEACH算法采用随机生成簇头，将导致簇头分布不均匀，如果低能量节点作为簇头，会直接导致该节点能耗加大，很快被消耗死亡，间接导致网络不稳定。LEACH算法的首个死亡节点出现在800轮左右，而改进的LEACH算法则要滞后100轮，此外，相较于LEACH算法，改进算法的死亡节点数在数据传输前期慢于LEACH算法，在后期快于LEACH算法，因此，在均衡网络能耗方面，改进算法更有优势，其对改进节点的利用率高于LEACH算法，可以使网络性能发挥到更佳的状态。

图6 节点存活状况Fig 6 Survival condition of sensor nodes

能量消耗如图7所示，通过结果对比可以看出:在网络运行期间，改进算法的节点能量消耗速度低于LEACH算法，这说明改进算法可以利用有限的网络资源，更大程度地保证网络的整体性能，所以，通过剩余能量图依然可以表明改进的LEACH算法优于LEACH算法。

图7 节点剩余能量Fig 7 Residual energy of sensor nodes

4 结束语

本文针对机场廊桥监控管理系统现场测试中暴露的网络节点过早死亡、区域信息无法完全感知、网络生命周期短的问题，提出了改进LEACH算法，算法通过引入节点剩余能量信息，网络平均剩余能量，并综合考虑节点在簇内的位置，分步选举出最优簇头，此外，能耗估算方法的引入，进一步减少了网路能耗，最终解决了网络能耗不均和网络生命周期过短的问题。通过仿真验证了本文提出的改进LEACH算法节点存活数和剩余能量的优势，证明该算法可以利用有限的网络资源，更大程度保证网络的整体性能。

[1] 张积洪.积极推广桥载设备提高节能减排效果[J].中国民用航空,2012(1):46-47.

[2] 陈维兴,林家泉,张积洪.基于网络的机场桥载设备能源管理系统设计[J].能源与节能,2014(5):128-130,136.

[3] 尚凤军.无线传感器网络通信协议[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] 唐 勇,周明天,张 欣. 无线传感器网络路由协议研究进展[J]. 软件学报,2006,17(3):410-421.

[5] 顾相平,孙彦景,钱建生.一种改进的无线传感器网络LEACH-ED算法[J].传感技术学报,2008(10):1770-1774.

[6] 胡 钢,谢冬梅,吴元忠.无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进[J].传感技术学报,2007(6):1391-1396.

[7] 易秀双,王兴伟,刘小锋,等.一种应用于工业无线网络的多路径节能路由算法[J].东北大学学报：自然科学版,2011(6):791-794.

[8] 江 贺,刘文杰,张宪超.无线传感器网络路由协议研究进展[J].小型微型计算机系统,2007(4):594-599.

A routing algorithm for airport lounge monitoring network*

LIN Jia-quan, CHENG Xu-yu, CHEN Wei-xing

(College of Aviation Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300，China)

Aimed at issues of network note premature death and short network life cycle exposed in civil aviation airport lounge bridge monitoring network for field testing at the airport an improved LEACH algorithm based on remaining energy and location is presented,consider nodes remaining energy average remaining energy of network and node location according to network environment factor,select the optimal cluster head in two steps,at the same time,use energy consumption estimation method to determine average remaining energy of network to balance network energy consumption can prolong lifetime of WSNs.Modeling and simulation on civil aviation airport lounge bridge monitoring management system by Matlab,results show that improved LEACH algorithm performs better than original routing layer LEACH algorithm in balance network energy consumption,prolong lifetime of WSNs.

civil aviation equipment; wireless sensor networks (WSNs); routing layer; the optimal cluster head; energy consumption estimation

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0137—04

2014—08—29

中央高校基本科研业务费中国民航大学专项项目(3122013C015)

TP 393

A

1000—9787(2014)12—0137—04

林家泉(1975-)，男，黑龙江鹤岗人，博士，副教授，主要研究方向为航空设备的在线检测和智能控制。