基于动态可调簇的能量感知无线传感网数据收集协议*

裴芳，郑莹，董龙明

（1.湖南机电职业技术学院，长沙410073；2.常德职业技术学院，湖南常德415000；3.陆军驻南京地区军事代表室，南京210000）

基于动态可调簇的能量感知无线传感网数据收集协议*

裴芳1，郑莹2，董龙明3

（1.湖南机电职业技术学院，长沙410073；2.常德职业技术学院，湖南常德415000；3.陆军驻南京地区军事代表室，南京210000）

针对无线传感网中高效数据收集和传输的需要，提出了一种基于动态可调簇的能量感知数据收集协议ACEDGP（AdjustedCluster-basedenergy-awareDataGatheringProtocol）。该协议初始时根据区域将节点等分成许多簇结构，簇首节点负责簇内部数据的收集和聚合，距离较远的簇通过其他簇首节点的转发实现数据的收集；随着时间的推移和节点能量的减少，ACEDGP能够统计各簇首能量消耗预测簇的通信频次，根据动态调整簇策略选择合适的簇首节点和合并分裂各个相邻的簇，保证各簇首节点簇内数据收集和簇间数据转发的能量平衡。仿真结果表明，与典型的分簇协议相比，ACEDGP能够更好地平衡节点的能耗，获得更长的网络生存期。

无线传感网，数据收集协议，动态可调簇

0　引言

无线传感网（WSN，wireless sensor network）是由分布在监测区域内的能够采集环境数据、简单数据处理和无线通信的大量传感器节点通过无线通信协议构成的无线多跳adhoc网络［1］。WSN能够在宽阔恶劣的条件下，实时收集大量详实可靠的一手数据，被广泛应用于工业控制、环境监测、交通管理、国防军事等领域。

无线传感网数据收集协议从网络拓扑结构上可以分为平面数据收集协议和分簇数据收集协议。平面数据收集协议所有节点的地位平等，网络中没有管理节点，优点是简单、易扩展，但不利节点的数据融合，离源节点远的节点由于数据传输代价大能量耗尽快，因此，不适合大规模分布区域广的无线传感网应用。在分簇的数据收集协议中，网络中的节点通常根据某种规则被划归为簇首节点和成员节点。簇首节点管理簇内部成员节点，负责簇内成员节点的数据收集融合处理以及簇间数据转发。簇首节点承担着主要的无线传感网的任务，其失效往往影响整个簇的失效，虽然设计时可以赋予簇首节点高能量，但随着时间的推移，簇首节点由于故障或能量急剧消耗从而导致整个簇失效。如何动态调整簇的规模选择合适的簇首节点成为基于分簇的数据收集协议研究的热点和难点。

国内外研究学者针对分簇的无线传感网数据收集协议相继提出了多种典型的数据收集协议，如：LEACH算法［2］、PEGASID［3］、PEDAP协议［4］和多层回溯协议MTP［5］。LEACH算法随机选取簇首，成员节点的数据汇聚到簇首节点后发送给基站，减少了与基站直接通信节点数据，协议在每轮随机重新选择簇首，理论能够将能量消耗均匀地分布在所有节点上，但是，算法很难保证簇首节点在网络中均匀分布。PEGASID协议根据节点的地理位置形成一条相邻节点间距离最短的链，节点间的通信仅限于相邻节点，可以有效地较少通信距离所消耗的能量，PEDAP协议在PEGASID协议进一步优化，将节点构造一棵最小汇集树，但是需要维护网络全局信息，尤其是节点意外失效时，需要重新广播全局信息。多层回溯协议MTP通过检测基站信号强弱来确定节点和基站的距离，根据基站信号的距离来确定节点和基站的距离，通过顶层节点迁移机制，能够将能量损耗较均匀地分布在所有节点上。这些协议通过各种方法动态选择簇首节点，将能耗尽量分布在无线网的节点中。但是，这些调整只是簇内节点的微调，不能在簇间根据通信任务而进行调整，容易导致通信平凡的簇首先失效，而通信频次低的簇节点能量过剩，不适用于通信任务分配不均的无线传感网。本文提出的基于动态可调簇的能量感知数据收集协议是对当前基于簇结构数据收集协议的改进，除了在簇内根据簇首的能耗动态调整簇首节点外，ACEDGP根据簇首节点和能耗评估通信的频次，合并那些通信量少的簇和分裂那些通信量大的簇，以此来平衡簇内节点能量的消耗。

1　系统模型

ACEDGP假设无线传感网中的节点随机分布在一个方形区域内，并且具有下面的性质：①唯一的基站部署在无线网外部较远的距离；②每个节点具有唯一的标识ID，初始时具有相同的能量；③传感器节点部署后不再移动；④所有节点具有相同的计算和通信能力；⑤节点的地理位置不可知；⑥可根据节点距离的不同调节发射节点的功率。

文中采用与文献［6］相同的能耗模型，能量衰减模型随发送距离的远近分为自由空间模型和多路衰减模型：当发送距离在一定阈值d0（d0为常量）内，发送数据的功耗和距离的平方成正比；当发送距离大于d0时，功耗和距离的四次方成正比，当节点向距离d以外的另一个节点发送k个字节的数据时，其所消耗的能量由式（1）计算：

其中，Eelec表示收发电路所消耗的能量，Eamp表示信号放大器消耗的能量。节点接受数据所消耗的能量由式（2）计算得到。

由式（1）可知：节点发送数据所消耗的能量由Eelec（k）和Eamp（k，d）两部分组成，这就决定着在构造簇分组节点时，簇的半径不能过大以减少每次通信Eamp（k，d）因子的代价；簇的半径也不能太小，如果太小，使得无线传感网中簇的数目太多，簇首数据转发次数太多。因此，如何设计合适大小的簇，对节约簇首能耗具有重要的意义。ACEDGP基于该思路除了继承MTP协议簇首节点迁移外，提出了一种动态调整簇大小策略，实时监测簇首节点能耗情况，合并那些通信量少的簇和分裂那些通信量大的簇，平衡簇首节点的能量消耗，以延迟无线传感网的生命周期。

2　协议描述

2.1节点分簇

在系统初始化时，ACEDGP协议将传感网络中所有节点按照区域划分成多个簇，簇内随机推荐一个节点作为簇首节点。

簇首节点将簇内各节点的数据收集，经过打包压缩拆分等手段汇聚后根据簇间的路由表逐级传输至基站。因此，ACEDGP协议中每个簇首节点需要维护两类信息：基本信息和簇间的路由信息。

对任意节点Ni，基本信息包括节点ID、簇首节点ID、剩余能量、能量门限值，可以用四元组表示：

节点ID是统一编码，CH_ID表示簇首节点的ID，可以用来代表整个簇，节点通过CH_ID就可以在簇内将感知到的数据传递给该簇首。剩余能量则是记录节点当前剩余的能量。能量阈值用于判断节点是否可以拥有充足的能量充当簇首节点以维持该簇内数据通信和簇间数据转发；能量阈值Energy_Threshold/2描述了该簇是否需要分裂成更小的簇；Energy_Threshold*2描述了簇首节点能量剩余较多，大于该值说明该簇可以合并。

簇间路由信息维护与本簇相邻接监控区域的簇首节点信息，可以用两个队列表示：转发队列TransferQueue和区域邻接队列NeighAreaQueue。这两个队列在系统初始化时构建，转发队列记录了该簇首节点可以将数据转发的下一个簇首ID，区域队列记录了与该簇地理相邻的簇首ID，用来动态调整簇的大小。转发队列在传感网节点分簇确定簇首节点后构建，由基站广播一则消息，通过与基站距离的远近构建一条通往基站的链路，为了增强传感网的容错性，通往基站的链路可能不止一路，簇首可以选择多个簇间首节点转发数据传递给基站。

2.2簇首节点数据转发

在ACEDGP协议中，簇首节点的数据经过转发队列中的簇首节点转发，最后将数据转发到基站。图1完整地描述了ACEDGP协议中数据收集并传输到基站的过程。首先，各簇内节点将数据分布汇聚到簇首节点CHi、CHj和CHm中。CHi和CHj、CHj和CHm构成了区域邻接队列，CHj为簇首节点CHi的转发队列，CHm为簇首节点CHj的转发队列。因此，簇首节点CHi将数据由簇内数据汇聚后传递给簇首节点CHj，然后簇首节点CHj将接受到数据和簇内收集的数据汇总打包一并传输给簇首节点CHm，最后，簇首节点CHm将汇总后的数据传输给基站。

图1　簇首节点数据传输路径

2.3动态调整簇策略

当无线传感网运行一点阶段后，由于簇首节点承担着大量的数据汇总和传输任务，造成能量急剧消耗，当能量消耗至某个极限值时不再具备簇首节点和转发数据的资格。在这种情况下，ACEDGP协议设置两种动态调整簇策略，一方面，在簇内重新选取能量高的节点作为该簇节点；另一方面，通过统计簇内节点能量消耗的情况来预测簇的检测任务和通信频次，合并那些通信量少的簇，分裂那些通信量大的簇，以此来平衡簇内节点能量的消耗，最大限度地延迟无线传感网的生命周期。

当簇首节点的剩余能量Energy_Threshold/2＜=Res_Energy＜Energy_Threshold时，在该簇内发起广播更换簇首消息ModifyCH，通知簇内其他节点将剩余能量Res_Energy发送该簇首，然后簇首选择剩余能量最大的节点作为新的簇首，并且在无线传感网中广播修改该簇首ID的消息，簇内修改基本信息的簇首ID，其他簇首节点将转发队列和区域邻接队列中原簇首ID更换新的簇首节点，完成簇首的更换。

当簇首节点的能量Res_Energy＜Energy_Threshold/2时，首先从区域邻接队列NeighAreaQueue中查找是否存在其他簇首能量Res_Energy＞Energy_Threshold*2（表明该簇内部数据量消耗比较低），如果存在，则将该簇合并到簇首能量最高的簇，该簇所有节点作为新簇的普通节点，新簇的簇首仍为原来的簇首，并广播无线传感网修改相应簇首节点；如果不存在，则将原来的簇分裂成两个新的簇，其中：一个子簇ch1仍以原来簇首为簇首节点，因此，其转发队列和区域邻接队列继承原来的簇，将子簇ch2的簇首加入到区域邻接队列；另一个子簇ch2选择一个能量较高的节点为簇首节点，子簇ch1的簇首加入到子簇ch2的转发队列TransferQueue和区域邻接队列NeighAreaQueue；如果无法动态调整则将能量阈值减半。该算法伪代码描述如下：

3　性能分析

3.1参数设置

本文采用基于Java的DTN仿真工具ONE（Opportunistic Network Environment）［7］进行仿真实验。为了验证本文协议的有效性，分别对LEACH［2］、MTP［5］和ACEDGP 3种协议分布从能耗和网络生存周期进行对比。实验中个项参数设置如表1所示。每次轮巡节点是否发送数据包是随机的，模拟真实传感网环境的数据收集。

表1　实验参数列表

3.2实验结果及分析

三种协议的能耗比较如图2所示。随着网络中节点数的增加，节点最大能耗也相应增加，与LEACH和MTP协议相比，和ACEDGP的能耗更低。这是因为ACEDGP动态调整簇策略更加丰富，尤其是簇分裂和合并策略根据通信频次实时调整簇的大小，能够平衡簇首节点的能耗，更加适用于任务不等动态传感网。

图2　节点最大能耗对比

网络生命周期定义为第1个节点能量耗尽时经过的轮数，实验结果如图3所示。ACEDGP协议的网络生存期比其他两种协议都长。主要是由于ACEDGP采用基于动态可调簇结构进行数据收集：通过轮换簇首节点，能减少簇首的能耗；通过合并或分裂簇可以网络负载更加均衡。

图3　网络生命期

4　结论

为了降低数据收集时节点的能耗和延长网络生命期，本文提出了一种基于动态可调簇的能量感知无线传感网数据收集协议ACEDGP。该协议通过设置两种动态调整重构簇的大小侧率，能够适应节点监控任务和通信任务不均的动态传感网中，仿真实验结果验证了该数据协议的有效性。能量阈值的设置关系到簇的调整方案和频次，如何设计更加合理的能量阈值，使其在能耗、网络生存期和延迟等方面同时具有较优的性能是下一步研究的方向。

［1］VIDYASAGAR P，ATIF S，ELIZABETH C.Wireless sensor networks：a survey［C］//International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops. Bradford，UnitedKingdom，2009：636-641.

［2］HEINZELMAN W R，KULIK J，BALAKRISHNAN H. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensornetworks［C］//In：Proc of the5thAnnual International Conference on Mobile Computing and Networking.New York：ACMPress，2001：174-185.

［3］LINDSEY S，RAGHAVENDRA C S.Pegasis：Power-efficientgatheringinsensorinformationsystems［C］//In：Proc of IEEE AerospaceConference2002.Los Alamitos，CA：IEEE ComputerSocietyPress，2002：1-6.

［4］TAN H O.Power efficient data gathering and aggregation in wirelesssensornetworks［J］.SIGMOD Record，2003，32（4）：66-71.

［5］刘昕，王全玉，金旭亮.基于能量感知的素具汇聚和路由协议［J］.计算机研究与发展，2008，45（1）：83-88.

［6］HEINZELMAN W B，CHANDRAKASAN A P，BALAKRISHNAN H.An application-specific protocolarchitectureforwirelessmicrosensornetworks［C］// IEEE Transactions on Wireless Communications，2002（1）：660-670.

［7］KERANENA，OTT J，KARKKAINENT.TheONE simulator for DTN protocol evaluation［C］//SIMUTools’09：Proceedings of the 2nd International Conference on Simulation ToolsandTechniques，NewYork，NY，USA，2009.

An Adjusted Cluster Based Energy-Aware Data Gathering Protocol for WSN

PEI Fang1，ZHENG Ying2，DONG Long-ming3
（1.Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410073，China；2.Changde Vocational Technical College，Changde 415000，China；3.Nanjing Military Representative Office of PLA Army，Nanjing 210000，China）

This paper presents an adjusted cluster based energy-aware data gathering protocol for wireless sensor network，called ACEDGP.ACEDGP divides nodes equally into several clusters according to different regions.Cluster heads gather and aggregate data from other nodes in clusters，and the data of clusters at a distance are gathered by the forwarding of other cluster heads.Along with the decrease of the energy in the cluster heads，ACEDGP can forecast the communication frequency by counting the energy consumption of the cluster heads.It can select the suitable cluster heads and combine or split the adjacent clusters according to the dynamic adjustment strategy，which can ensure sufficient energy in the cluster heads to gather data in the cluster and forwarding data over clusters. Simulation results show that ACEDGP can balance the energy consumption of nodes better，and thus increase the lifetime of WSN.

wirelesssensornetwork，datagatheringprotocol，adjustedcluster

TP316.4

A

1002-0640（2016）10-0177-04

2015-08-06

2015-09-16

湖南省教育厅课题（13C258）；湖南省常德市科技局一般项目（2014JF11）

裴芳（1977-），女，湖南常德人，硕士，副教授。研究方向为：无线传感器网。