城市综合管廊WSN中TRF-LEACH协议的仿真研究∗

周志鑫，郑豪男，周慧敏，邵晨宁，项 斌，平昕怡，王思阳，惠国华∗，易晓梅，李 剑，郜园园，赵治栋

(1.浙江农林大学信息工程学院，林业感知技术与智能装备国家林业局重点实验室，浙江省林业智能监测重点实验室，杭州311300；

2.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江省杭电智慧城市研究中心，杭州310018)

如今，越来越多的高新技术被运用整合到城市生活中。例如无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)[1]，无线局域网(WLAN)[2]，高速网络和智能手机等创新进步都在人们日常生活中扮演重要角色。尤其是WSN在越来越多地的领域大展身手[3－5]，例如城市综合管廊监控中。城市综合管廊作为一种现代化、集约化的城市公用基础设施[6]，可以有效解决城市道路反复开挖，城市地下空间闲置浪费和市政管道破损等问题。它是未来智慧城市建设中不可或缺的组成部分。目前，随着WSN和计算机技术的突飞猛进，无线监控有望取代传统有线监控手段。因此，对城市综合管廊的运行状态进行可靠的实时监控成为了目前的研究热点之一。

基于WSN技术的无线监控系统具有实时不间断、动态性强、设施安装简易等优势。其中路由协议作为WSN的“大脑”。广大学者对路由协议，进行了深入研究，取得了一系列研究成果。李建洲等人提出了一种考虑多种因素来均衡节点能耗的分簇多跳路由协议(EBCRP)，该协议在选择中继簇头时综合考虑了邻近簇头相对自身的距离和方向，达到均衡网络能耗的目的[7]。胡小平等人在灰狼算法的基础上改进其收敛因子，平衡全局和局部搜索能力，提高算法中后期的优化能力，改善节点部署[8]。吴勇等人提出了一种综合考虑簇内和簇间两个优化目标的协议(DEDS)，该协议在时延、分组递交率、能耗、稳定性等性能指标上有显著提升[9]。谢成阳等人提出了一种基于自适应代表节点选择的WSN数据收集方法，在保证压缩感知数据重构精度的同时，减少参与数据收集的节点数，降低了网络能耗和数据传输量[10]。Tsai C W等人提出一种HHCA(Hyper-Heuristic Clustering Algorithm)算法来增强WSN的聚类效果。该协议通过引入高性能的启发式算法来寻找更好的解决方案来平衡所有传感器的剩余能量，从而使存活传感器节点的数量最大化，达到减少WSN能量消耗的目的[11]。Subha C P等提出了一种针对异构WSN的H-CERP(Hybrid Clustering Energy aware Routing Protocol)改进协议，通过形成比最佳估计值更少的有效簇和使用多跳传输手段，达到网络寿命和覆盖范围在无需额外成本的情况下更具优势的目的[12]。Naranjo P G等人提出了一种名为Prolong-SEP(P-SEP)的改进协议，该协议考虑两级节点的异质性，采用新的簇头竞选策略，通过平衡网络的能量消耗来延长WSN的稳定时间[13]。

基于上述研究和现有的管廊研究成果－LEACH-HC协议进行比较分析，本文尝试将三角形节点部署方案和中继节点转发方案相结合，并且对LEACH协议进行改进，力求构建出更加契合城市综合管廊要求的路由协议。于是，提出基于三角形部署的中继转发成簇协议(Triangle relay forwarding-LEACH)。仿真结果表明TRF-LEACH协议在针对城市综合管廊的应用中能显著提高网络的生命周期，均衡网络能耗和增强数据吞吐能力。

1 城市综合管廊与约束条件分析

1.1 城市综合管廊

城市综合管廊亦称共同沟，主要是指在城市道路地下建造一个将电力、信息、给水、热力和排水等多种市政公用管线集中敷设在同一个空间内的建筑。以做到城市道路地下空间的综合开发利用和市政公用管线的集约化建设和管理，从而避免城市道路产生“拉链路”，提高管道维护和检修的效率的目的[14]。其中，城市综合管廊WSN主要实现区域内管道的监视数据采集、传输，是构成完整的自动化监控网络的重要一环，这使得高性能的路由协议成为系统稳定运行的关键因素之一。

1.2 约束条件分析

考虑到城市综合管廊建筑结构的特殊性，在其区域内部署WSN，存在诸多困难。这些特性使得各类经典的路由协议不能直接照搬到城市综合管廊WSN的应用中。所以，城市综合管廊的这些特性在设计路由协议时会成为限制协议性能的主要因素。通过分析，城市综合管廊的主要约束条件如下：

①城市综合管廊必定是一个长度远大于宽度的建筑结构。目前，城市综合管廊通常与地铁、城市干线和地下综合体等工程统一纳入城市空间规划，形成共同化、综合化发展的趋势[15]。

②城市综合管廊属于封闭结构。城市综合管廊的建设不可避免会遇到各种类型的地下空间占用问题[16]。在前期规划中，必须将综合管廊与其他地下空间建设统筹考虑，使城市综合管廊拥有独立空间，不受其他建筑影响。

③城市综合管廊包含的管道种类多。在中国，城市综合管廊尚处在发展时期，根据其断面以及功能定位的不同，需要设计不同的管道搭配方案。文献中考虑的管道类型主要是电力、电信、供水和天然气管道[17]。可以将其概括为水处理管道、供热管道、强电管道和弱电管道等四类管道。

④城市综合管廊监控所需传感器类型重叠。不同地区的城市综合管廊设计方案中，管道类型配比是各有不同，但各个管道在需监控参数上有大面积重叠(温度、湿度、水位、气体)。因此，对不同类型的管道进行监控时，部署的传感器种类是大致相同。

⑤收集相同类型数据的传感器可能具有不同工作频率。在管廊监控中，多种类型传感器对城市综合管廊中管道的多种参数进行采集，并将采集到的数据发送给相关控制模块进行处理。处理器对节点各部分的工作进行协调和控制，对采集的数据做统一化处理，再经由通信单元中进行传输。除此之外，根据不同管道的工作特点，传感器的工作频率要求也有所不同。即对传感器电池能量储备提出不同要求[18]。

2 TRF-LEACH路由协议

本文提出的TRF-LEACH路由协议，改进了节点部署以及簇间路由方式，使之适用于长距离、大规模的网络传输。其中，TRF-LEACH协议主要由两个阶段构成：①簇的建立阶段；②路由的确定阶段。具体流程如图1所示。首先，在簇的建立阶段，节点部署采用固定节点部署和自由随机部署相结合的方式，然后依据能量级信息进行分簇。最后，在路由的确定阶段，划定中继节点覆盖范围，通过中继节点将其覆盖范围内簇头信息发送给基站。

图1 技术路线图

2.1 网络模型

城市综合管廊监控网络的目标对象为地下市政管道，传感器节点安置在这些管道上。本文将研究的城市综合管廊结构抽象成一段长矩形区域，节点在这片区域内按照一定的规则来传递信息。在管廊信息传递过程中会产生随着管道距离的延伸，节点间通信所产生的能耗也会剧增，远离汇聚节点的节点信息可能无法有效地传输给汇聚节点等一系列问题。因此，根据管廊环境的特征，提出了具有以下特点的WSN模型：①部署后的无线传感网络属于静态网络，即基站和节点位置不再变化；②节点采用的是布尔感知模型，忽略边界因素影响。节点的感知范围和通信范围都是理想的圆形；③区域内节点相互之间以及节点与基站之间都可以直接通信；④有且只有一个基站，位于区域几何中心，基站具有充足的能量以及足够的数据计算性能；⑤节点分为普通节点和中继节点2种类型，中继节点为高能量节点，且两类节点都能够进行功率调节。

2.2 能耗模型

在WSN中，节点间传输数据产生的能耗主要取决于发送端节点与接收端节点之间的距离d。即式(1)与式(2)给出了不同距离下传感器节点的接收能耗和传输能耗计算方式。传感器节点传输k比特数据的通信能耗可以分为两部分：一部分作为支撑设备电路在传输和接收时处理信号所需的能量，认为二者能耗是相等的，均为Eeleck；另一部分为传感器节点数据传输时射频功率放大器的能耗，该部分能耗与距离相关，在传感器节点能耗中占据很大比重。当d＜d0时，采用由空间能耗模型，其能耗为Eampkd2，当d≥d0时，采用多路衰减模型，其能耗大大增加，为Eampkd4。发送端传输k比特数据的能耗计算公式：

接收端接收k比特数据的能耗计算公式：

式中：k代表数据的比特数；Eelec为收发电路的能耗；d是发送节点到接收节点间的距离；d0是自由空间模型与多径模型下的临界阈值且d0＝ Efs/Eamp；Efs和Eamp分别表示自由空间模型和多径模型功率放大电路的能耗系数。

2.3 节点异构设计

为了提高城市综合管廊WSN中传感器节点的利用率，在中央处理器能够将收集到的数据做统一化处理的基础上[19]，由于管线和传感器种类的多样性(检测不同管线的传感器的工作频率的不同，需要配备不同容量的电池)将产生各类传感器节点能量使用不均等的情况。

所以本协议中的节点采取异构化设计。根据1.2中描述，数据格式得到统一处理之后，能量就成为限制WSN综合性能的主要因素。考虑不同传感器节点的能量需求不同，将节点分为普通节点和中继节点两类。普通节点主要功能是采集管道数据和内部竞选簇头。而中继节点拥有更多的初始能量，使其能完成高频率数据的采集工作和覆盖区域内簇头数据的中继转发。但是，从数量上来说，高能量的中继节点在数量上比普通节点少得多，同时由于管廊管壁两侧管道密集，传感器工作频率更高，所以中继节点部署靠近管壁。

这种节点类型分类方式能直观对接综合管廊中的能耗情况，使得在高频率工作区域的节点平均能量更高，与管廊实际条件更相符合。并且这种异构节点策略也为下文簇间路由打下基础，使其能够缓解多跳传输而产生的“能量空洞”问题。本文将在2.4和2.5中讨论节点部署策略和簇间路由改进。

2.4 节点部署策略

通过分析可知，在城市管廊的类线性环境中，管道的截面积相比于节点的覆盖范围是可以忽略不计的。所以，节点部署要在长度延伸上充分考虑网络的感知能力和通信能力，传感器网络通常需要冗余的部署节点，实现强连通度和强覆盖度要求。那么，即使部分节点失效，整个网络仍能保持对覆盖区域的感知和整个网络的连通。

在城市综合管廊WSN中，传感器节点负责采集监测区域的信息。所以，整片管廊区域必须被有效覆盖。但由于WSN节点数目的有限性以及综合管廊环境的特殊性，如果感知区域内采用单一节点覆盖，无法满足整个监测区域的信息有效采集要求。所以有必要强化城市综合管廊WSN区域的多重覆盖。

考虑到2.3节中提出的异构WSN中普通节点和中继节点在传感能力以及硬件成本上差异悬殊，所以采用静态部署与随机部署相结合的方法，即大量的低能量节点随机部署，而对于数量较少的高能量节点，我们采用静态部署策略。静态部署主要针对解决网络工作过程中的覆盖漏洞问题。由于普通节点在综合管廊部署范围内感知面积有限，故采用高能量的中继节点来实现多重覆盖。但考虑到中继节点数量有限，现考虑两种部署方式，即三角形部署和正方形部署，如图2所示。

图2 三角形与正方形部署结构示意图

从图2(a)和图2(b)中可以分析出，在一般情况下(a)和(b)都达到了多重覆盖的效果，并且文献[20]指出正方形部署的覆盖效果更好。但是，在管廊WSN设计中，高能量节点的数目是有限的，相同覆盖区域下采用正方形部署需要更多数量的节点，并且随着管线的延伸这种数量差距将不断放大。而采用三角形部署同样能完成任务，却只需要原来66.7%的节点即可，所以在经济效益上有明显优势。

考虑到高能量节点的数目和高能量节点还将承担中继功能，需全面覆盖城市管廊，故其感知半径将大于综合管廊宽度。所以，本节接下来将对中继节点采取三角形的部署方式进行重点分析，其部署特点是中继节点在管廊平面投影图中呈三角形部署排列连接，如图3所示。

图3 三角形分区覆盖部署策略

如果将图2(b)中按照三角形部署的中继节点的感知半径缩小或者将各个中继节点之间的距离扩大必定都会造成中继节点的中心出现空隙，形成覆盖空洞，如图4所示。而综合管廊的覆盖范围处在中继节点构成的监控区域内，这个区域必然大于形成的覆盖空洞，所以在这个范围内部署普通节点就能填补覆盖空缺，那么覆盖空洞的问题就可迎刃而解。在图4中通过建立节点区域覆盖模型对呈三角形结构部署的节点间距离的进行了定量展示，并添加一个感知半径较小的普通节点解决覆盖空洞问题。两类节点之间的覆盖关系如下计算。

图4 三角形部署覆盖空洞示意图

假设图4所示的中继节点的覆盖半径为R1，普通节点覆盖半径为 R2，并且 R1＞R2，R1/R2＝k。 这里做出假设 R1＝r，R2＝r/k。

所以，覆盖区域的三角形面积为：

此外，包含覆盖空洞形成的最大三角形面积是：S△MAX＝

覆盖面积占比：

根据上文节点设置中普通节点和中继节点的悬殊数量比，即R1/R2＝k的值较大。

所以，式(3)取极限得

2.5 簇间路由方式改进

传统的LEACH协议在数据传递过程中，簇内所有节点需将信息先传递给簇头，再由簇头传递给基站。LEACH协议的这个过程没有考虑数据传输距离和簇头节点能耗高的问题。而在城市综合管廊中，由于距离的大幅度增加，必须对所有节点进行划分。所以，在TRF-LEACH协议中，对数据传递方式也做出相应改进。故在本文2.4节提出的三角形节点位置部署的基础上，为了最更大程度地均衡网络能耗，提出根据不同簇与基站之间的距离而采取的信息中继转发方案。如图5所示。其流程为：TRFLEACH协议在分簇完成后，每一个簇内的普通节点将信息传递给簇头节点(Cluster head)，再由簇头节点传递给覆盖范围内的中继节点(Relay node)，如果某簇头同时位于两个中继节点的覆盖范围内，则选择距离较近的中继节点进行信息传递。然后由中继节点将接收的信息传递给基站(Base Station)。

图5 中继节点转发示意图

那么，对于中继传输方式的计算分析如下。设城市综合管廊的模型长为2L，宽为W，其中W≪L，基站位于几何中心。现取其中一半模型进行研究，即长L，宽W，基站位于一侧的部分。设在此区域内总共部署N个普通节点，m个中继节点，每个中继节点的覆盖直径为A，簇头竞选概率为P。

在理想状态下，假设整个网络均匀分簇，则每个中继节点覆盖的普通节点(包括簇头)数目为：

如果每个簇头传递的数据量为k比特，则所有中继节点接收转发所需的总能量是

接收端：

发送端：

故：

当管廊长度延伸，部署更多的中继节点，即m较大时：

所以，分析式(6)可知，中继节点的转发性能由P，A，m多个参数共同决定。

3 仿真与讨论

3.1 仿真参数设置

本文使用MATLAB 2012a作为仿真平台，对提出的TRF-LEACH协议进行仿真实验，并将其与LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC协议在无线传感网络生存时间、簇头数量和数据吞吐量等方面进行对比。网络仿真参数如表1所示。

表1 仿真实验各个参数

3.2 性能分析

在设计本文WSN之前，我们依据管廊的需求和特点设计了LEACH-HC协议。但是LEACH-HC协议在生命周期完整性和协议稳定性上还有所不足，我们针对上述两个方面的不足做了改进，提出TRFLEACH协议。尽管TRF-LEACH协议在延展性方面LEACH-HC协议相比还稍有欠缺，但是能够保障生命周期完整性和协议稳定性上的要求。所以，在相同实验环境下，对 LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC协议以及TRF-LEACH协议进行仿真。通过实验数据进行比较分析。

图 6是对于 LEACH，SEP，M-LEACH、LEACHHC和TRF-LEACH等5种协议第一个死亡节点出现时间的比较。除M-LEACH外，其他4种协议在前150轮中均没有节点死亡。在此之后，LEACH协议第一个死亡节点分别出现在281轮。SEP协议第一个死亡节点分别出现在197轮。LEACHHC协议第一个死亡节点则出现在384轮。而TRF-LEACH协议第一个死亡节点出现在738轮，相比于LEACH-HC协议的第一个死亡节点出现时间，延迟了92%。所以说，TRF-LEACH协议有效地延迟了第一个死亡节点出现的时间。有趣的是，虽然SEP协议在节点平均能量上高于LEACH协议，但第一个死亡节点反而较LEACH协议早84轮出现。究其原因，这是由于SEP协议节点异构化后没有对分簇策略做出相应调整，导致在长矩形系统中节点能耗更加不均，出现节点过早死亡的现象。另外，由于M-LEACH协议采用中继传输，中继节点能量有限却担当重任，死亡节点出现时间很早。另一方面，从死亡节点出现趋势上讲，当第一个死亡节点出现之后，LEACH协议中的节点死亡速度最快。SEP和M-LEACH协议则延续了较长的生命周期。但TRF-LEACH协议同它们相比，生存周期更是提升了51%以上。由于TRFLEACH协议死亡节点出现时间大幅度延迟和生命周期较长，所以TRF-LEACH协议的网络完整性时间大幅度超出其他协议。

所以，无论从网络完整性还是从第一个死亡节点出现时间方面考虑，TRF-LEACH协议都明显优于LEACH、SEP、M-LEACH和LEACH-HC协议。

图6 网络生存周期比较图

图 7是在 LEACH、SEP、M-LEACH、LEACH-HC和TRF-LEACH等5种协议在运行1 000轮情况下，进行100次实验的结果对比图。图7中信息传递出在100次仿真实验中，LEACH协议仅有7次还有节点存活，且存活节点数量少于2%。SEP和M-LEACH协议剩余的死亡的节点数目超过节点总数的60%，网络完整性遭到严重破坏，且M-LEACH和LEACH-HC的稳定性存在不足，死亡节点数量波动区间达到30。而TRF-LEACH协议在运行1 000轮后，平均死亡节点数目为16.97个，相较于SEP和M-LEACH协议提升50%以上，网络的生命得到有效延长。同时，在协议稳定性方面得到改善，死亡节点波动区间下降到20左右。所以，在5种协议中，TRF-LEACH协议的有效生命周期高于另外3种协议一倍以上，且与LEACH-HC协议相比稳定性提升34%以上。

图7 死亡节点数量对比图

图8 展现的是簇头数量与运行时间的关系曲线，图中一个点是每100轮产生的簇头节点的平均值。由图8可知，在实验过程中TRF-LEACH协议的簇头总数大于其他3种协议。运行到500轮左右时，SEP协议的簇头数量超过LEACH协议。运行到830轮左右时，M-LEACH的簇头数量超过LEACH。其中LEACH协议的簇头数目曲线下降最快，而TRF-LEACH协议的簇头总数始终明显高于其他3种协议簇头数目。TRF-LEACH协议保证了节点数据传输的有效性，充分有效缓解簇头节点由于负载过大而过早死亡的问题。其原因在于TRFLEACH协议考虑中继节点的覆盖范围，使得簇头的区域划分更合理，网络能耗更加均衡。

图8 簇头数量与时间变化曲线图

图9 显示了4种协议在1 000轮实验内，基站接收数据总量的变化(时间以轮次表示)。由图9中可知LEACH和SEP协议在数据吞吐能力上十分相近，SEP的异构设置对提升协议的数据传输能力提升有限。而M-LEACH则在运行前期吞吐能力较强，但在525轮之后，TRF-LEACH协议的传输总量超过M-LEACH协议。其中，在 0～1 000轮范围内TRF-LEACH协议数据吞吐量近似于线性增长，而其他3种协议都有不同程度的滞缓。在1 000轮的实验中TRF-LEACH协议的吞吐总量是M-LEACH吞吐总量的147.6%，是LEACH和SEP协议的10倍左右。

图9 基站接收数据量

4 总结

本文针对 LEACH、SEP、M-LEACH和LEACHHC协议在城市综合管廊中产生的各类问题，提出基于三角形部署和中继转发的TRF-LEACH协议。该协议引入三角形部署，以实现多重覆盖，保证网络覆盖性，均衡节点密度。并且在综合考虑节点特点和空间分布的情况下引入中继转发方式，均衡了各节点间的能量消耗速度，解决了节点过早死亡和覆盖漏洞问题。实验结果表明，TRF-LEACH协议有效地均衡了节点能量消耗、延长了WSN生命周期、改善了数据吞吐能力。