基于动态聚簇结构的无线传感网络在海上通信中的应用

姜 姗

(河南中医学院 信息技术学院，河南 郑州450000)

0 引 言

现代海上各种不同的信息系统中，数据的交互一般利用无线传感网络进行传输。如海上气象传感网络，利用各种类型的气象传感器，如温度传感器、湿度传感器、风速传感器等对环境数据进行采集，采集的信息通过无线传感网络发送至信息处理中心，经过处理后展现给用户［1］。而海上信息系统中，能源的供给相对于陆地是较为紧张的资源，所以如何在有限的资源内最大限度的传输数据是衡量无线传感网重要的性能指标。

传统的数据算法中，各种不同类型的传感器对采集的信息进行单独传输，网络能耗较大，数据传输效率较低。现在的解决方法之一，是按照传感器的类型或者传感器的位置，对网络中的所有传感器进行分类，每一类归为一簇，单点的数据传输在簇内进行，而簇与信息中心的数据交互通过簇首完成，有效地节省了网络能量，并增加了网络带宽。

本文在研究现有无线传感网络基础上，提出一种基于动态聚簇结构［2］的无线传感网络，利用负载均衡原理在簇中进行簇首节点的轮询，有效地平衡了单个节点的能量消耗，增加了网络的生命周期。最后对算法进行仿真。

1 无线传感网络原理及架构

1.1 无线传感网络架构

无线传感网络一般由成百上千的传感器及一个信息处理中心组成。传感器对物理数据进行采集，通过多跳的方式对数据信息传输，信息处理中心接收到数据后，对数据进行融合处理。

网络架构如图1 所示。

图1 基于簇的无线传感网模型Fig.1 The model of the wireless sensor network based on cluster

与传统的传感器相比，无线传感网络具有如下特点:

1)传统的传感器与被采集目标物之间距离较短，并且较易收到海面环境噪声的影响，从而降低数据采集的精度。而现代的传感网络，无传感器与被测目标物可以有较远的距离，并且无线传感器对同一目标物进行自组织采集，通过分析各传感器之间的数据误差来判断环境噪声的影响，从而大大提高了数据采集精度。

2)传统传感器采集的数据通过多跳的方式［3］直接发送至信息处理中心，在信息处理中心进行数据的融合，这样数据传输的能耗较高且传输效率较低。现代无线传感网络，往往对成百上千的无线传感器进行排序，并按照一定的规则组成簇网络，采集的数据在簇内发送至簇首节点，簇首节点先进行数据融合预处理，然后统一发送至信息中心。

1.2 无线传感网络节点的组成

在现代的传感网络中，单一的传感器在组网中预先被放置在特定位置，传感器中包含微型的处理器及无线路由功能。通过微型处理器控制传感器的采集信息中的效数据，然后通过路由功能把数据集中传输给中心节点。所有传感器节点集微处理器、物理感知器、无线路由器及数据存储器于一身，本身即为一个小型的计算机系统。

无线传感器节点结构如图2 所示。

图2 无线传感器节点结构Fig.2 The wireless sensor node structure

如图2 所示，海上无线传感网络中最大的是电源的限制，因为海上无线传感网络都是配备电池，一次性大量替换电池的成本十分昂贵。如何在有限的电力供应下，最大限度的提高网络的传输线效率及使用寿命是海上无线传感网络最重要的研究方向。在本文基于动态簇的无线传感网络数据传输算法中，利用负载均衡的原理，尽量平衡每个节点的能量使用，并且大部分数据传输在簇内进行，有效的降低了数据传输的路径，从而减少了网络能量的消耗。

2 基于动态簇的无线传感网络算法

2.1 无线传输模型

在本传输结构中，假设数据通信信通中的发射和接收模块发送每比特数据的功率消耗Eelec=50 nJ/bit，为最大限度的消除海上的环境噪声所需要的放大器功率消耗为Eelec= 100 pJ/bit/m2，并且信号发射功率与距离的平方线性相关，若发送距离为d，发送数量为kbit，则能量消耗有如下公式［4］:

接收端的功率消耗为:

其模型如图3 所示。分析可知，若要减少整个无线传感网络的耗能，则必须尽量减小数据传输的距离，同时减少数据发送的次数。

2.2 动态簇的传输原理

在无线传感器中进行数据传输的特点是:当2个传感器之间的距离较近时，则在它们之间的信息传输耗能最小。

图3 海上无线传输模型Fig.3 Wireless transmission model on the sea

本文对网络中的无线传感器按照离基站节点的距离远近按簇进行划分。在簇中，则分为普通节点及簇首节点，簇首节点负责整个簇的数据搜集，并进行数据融合，最终数据传输是在簇首与基站节点之间进行，若距离较远，则需要通过其他簇中的簇首节点进行路由连接，完成多跳传输。

在簇内，簇首并不是固定不变的，而是按照如下规则进行轮询:在簇中，每个节点随机选择一个介于0 ～1 之间的数值，并设定一个阀值T(n)，如果随机值小于阀值，则将之置为簇首节点。阀值的选择公式如下:

在本文的按簇协议中，数据传输分为初始换过程、稳态过程及簇首节点轮询过程3 个过程。下面进行详细描述。

1)初始化阶段

在初始化阶段，每个传感器利用自身的监控器对周边的节点进行信息的判断，如传感器的类型、功能及路由性能等参数，然后结合周边和自身性能相似的节点自发的组成一簇。当整个无线传感网络按照簇进行划分完毕后，则在每簇中进行簇首节点的选择，最先被选择为簇首节点的原则是传感器的剩余能量、路由功能及与基站节点的距离远近的一些列参数的最优节点。当簇首节点选择完毕后，在簇中进行数据传输时隙、信道的分配。步骤如下:

①初始化时，当簇首选择完毕后，普通传感器节点通过一个固定频率的信道来和簇首节点建立连接，簇首节点通过此信道传输控制信息，建立连接前需要侦听到k 个Tframe时隙的数据。

②若在k 个Tframe时隙内，接收到簇首节点传输的控制信息，则表明此普通节点已经归入簇结构中，并且此簇中已有簇首节点，则普通传感器节点向簇首节点进行注册，当簇首接收到普通节点的注册消息时，则查询自身的时隙分配表，时隙分配表中记录了已经分配及未分配的信道及时隙，若有未分配的信道及时隙，则选择一个时隙发送给普通节点。普通节点接收到返回的消息后，发送应答消息，并且打开自身的数据传输单元，进行数据传输。

若上述过程有一个失败，则此普通节点在本轮中不进行数据的传输和接收，而等待下一轮重新进行上述请求。

通过上述分析，普通节点只有当分配了信道及时隙后，才打开自身的数据传输单元，而未分配时，则关闭。有效地节省了自身节点的能量。

图4 为初始化阶段的过程图。

图4 算法初始化过程图Fig.4 The algorithm initialization process map

2)稳态过程

当初始化阶段完成后，簇首节点通过约定的信道向簇内其他节点发送控制查询信息，消息体包含用户的需求信息。簇内节点接收到此信息后，自发的与簇首节点建立连接，并根据初始化分配好的时隙及信道发送用户需要的采集信息。簇首节点接收到采集信息后，则利用自身的处理器预先进行融合处理，然后将数据发送至基站节点。

3)簇首节点轮询过程［5］

由于簇首节点负责了整个簇内数据的融合及数据发送功能，其耗能较大，簇首节点通过监视模块对自身的能量消耗进行检测，当发送自身的所剩能量达到一个临界值时，则向簇内节点进行广播，放弃成为簇首节点;同时，向簇内其他查询各节点的所剩能量，并选择一个能量最大的节点来接替自身的职责。

通过簇首节点轮询过程，对簇中所有节点进行能量的负载均衡，有效地提高了整个网络能量的利用率并延长了网络的生命周期。

3 算法仿真

本文对基于动态簇结构的无线传感网络算法进行仿真。首先建立一个区域大小为50 ×50 单位的无线传输网络空间，并在空间中随机部署100 个无线传感器，整个无线传感网络基于如下设定:

1)一旦在区域内对传感器部署好后，则不再进行位置的变动，这也符合海上物联网系统及无线传感网络的实际情况。

2)海上无线基站则固定在区域外离传感器节点不远的一个恒定坐标位置。

3)所有单个传感器所含能量相等，并且信息处理能力、路由能力相似。

4)节点没有导航功能，即不能通过导航知道各节点离基站节点的距离远近。

最后给出传统算法与基于动态簇的无线传感网络能量消耗曲线图。

图5 本文算法与传统算法能量消耗比较曲线图Fig.5 The comparison chart of energy consumption

4 结 语

在现代海上物联网系统中，基于无线传感网络的数据采集及传输应用越来越多，而由于海上无传感器能量供给的限制，传统的基于单节点的网络组网及数据传输已经不能满足现代海洋信息系统的大数据要求。

本文在研究了现有的无线传感网络基础上，提出了一种基于动态聚簇结构的无线传感网络，并进行了仿真。

［1］HEDETNIEMI S，LIESTMNA A．A suvrey of gossiping and broadcasting networks［J］．Networks，1998(18):319－349．

［2］ASDA A A，GREGORY J P，WILLIAM J K．Powerconcious design of wireless circuits and systems，Proc．Of IEEE，2000，88(10)．

［3］WILLIAM A M，MOHAMMED J Z．Systems support for scalable data mining［J］．ACM SIGKDD Explorations Newsletter，2000，2(2):56 －65．

［4］方书甲．海洋信息感知与综合传输网络［J］．舰船科学技术，2005，27(4):5 －8．FANG Shu-jia．Ocean information and integrated transmission network［J］．Ship Science and Technology，2005，27(4):5 －8．

［5］张建华．物联网技术在海面作战统一调度系统中的应用［J］．舰船科学技术，2015，37(2):228 －231．ZHANG Jian-hua．Research on battle command system based on internet of things ［J］．Ship Science and Technology，2015，37(2):228 －231．