森林火灾监测无线传感器网络有效路由算法

王艳丽

(渭南师范学院网络安全与信息化学院　渭南　714000)

森林火灾监测无线传感器网络有效路由算法

王艳丽

(渭南师范学院网络安全与信息化学院渭南714000)

摘要针对森林火灾监测系统必须满足能耗低的特点,论文提出一种有效的簇头选择方法。该方法以剩余能量为基准设计簇头,同时,由于森林环境网络拓扑结构动态变化,在簇头选择过程中考虑节点的网络拓扑位置。对于能量异构网络而言,如果某节点占有能量优势,让其连续成为簇头或某几个节点轮流成为簇头,避免每轮簇头的选择。理论分析和仿真结果表明,该算法有效平衡节点间能耗,降低算法开销,延长网络生命周期。

关键词无线传感器网络; 剩余能量; 能耗; 网络生命周期

Class NumberTP3391.9; TN929

1引言

无线传感器网络技术(WSN)通过在监测区域部署大量传感器节点,自组织构建网络,数据多跳进行传输,成本低、高容错,即使在恶劣环境下也可继续传输[1]。基于上述特点,将无线传感器网络技术应用于森林火灾监测[2],在节点的部署过程中,考虑环境因素,传感器节点无法进行市电供电,而采用电池供电,降低能耗也是必须要考虑的要素之一[3]。在无线传感器网络中,路由协议直接决定数据传输的可靠性、网络能量消耗等特性。

LEACH[4]算法是一种均匀分簇路由协议,通过随机选择簇头,构造大小相等的簇,簇内能耗均衡,但缺点是远离基站的簇头能量优先消耗,造成能量空洞[5]。文献[6]所提EEUC路由协议通过控制簇头的竞争半径调节簇的规模大小,靠近基站的簇规模较小,可以减小簇头收集簇内数据的消耗能量,同时,在选择路由节点时,考虑其剩余能量,更好地做到能量消耗均衡。文献[7]提出对簇头的选择机制进行优化,既考虑节点能量,又判断簇内成员节点与Sink节点的距离。TTDD[8]、TEEN[9]等分簇路由协议是在LEACH基础上改进的,研究LEACH协议的运行机制,对其簇头选择机制进行优化改进具有重大意义。本文针对WSN在森林火灾监测应用的特点出发,提出一种新的路由算法,选择簇头既考虑节点剩余能量,又考虑网络拓扑的变化。

2森林环境中的无线传感器网络应用要求

WSN路由协议负责将各个独立的节点形成一个数据传送网络。森林火灾无线WSN符合如下要求:

1) 森林火灾监测无线传感器网络,传感器节点采用电池供电,需要满足低功耗。

2) 最终目的是测试林区温度、湿度和烟雾浓度。

3) 每个节点有唯一的ID,可获知自己的坐标信息,都能担任簇头或普通节点。

4) 每个节点独立工作,即每个节点的工作均不受其他节点影响。

5) 由于森林环境的特殊性,受自然因素、人为因素等影响,传感器节点随时可能被破坏,网络拓扑结构动态变化。

基于上述特点,本文针对森林火灾监测特殊环境,网络拓扑结构不稳定,电池供电有限等因素,寻找较优的路由算法。

3网络与能耗模型

3.1网络模型

本文对无线传感器网络作如下假设:

1) 网络属于静态网络,传感器节点部署后位置保持不变。

2) 节点能量可异构。

3) Sink节点位于监测区域的几何中心位置,位置固定且唯一,能量无限制。

4) 传感器节点类型同构,其能量不可以补充。

5) 通过数据融合技术减少数据传输任务。

3.2能耗模型

本文采用文献[10]的能耗模型,可以计算出节点发送lbit数据需要消耗的通信能耗为

(1)其中,Eelec是发射或接收电路消耗的能量;d是发射节点到接收节点之间的距离;dcrossover是模型的距离阈值;εf和εm是模型中的功率放大能量系数。上述计算中,忽略节点在计算、存储等过程中的能量消耗。

由式(1)可知,近距离通信时,传输能耗与距离呈平方关系,远距离通信与距离呈四次方关系。在森林火灾监测系统中簇内通信数据量较大,因此选择d

同理,可计算出节点接收lbit数据需要消耗的能量为

Er=lEelec

(2)

4基于拓扑关联的路由协议

WSN路由协议负责将各个独立的节点形成一个数据传输网络[11]。由于无线传感器网络与应用相关并受资源的限制,需要根据具体的应用环境对路由协议进行改进。针对森林环境复杂,供电困难,网络拓扑结构动态变化的特点,本文设计基于拓扑关联的路由协议。

4.1簇头选举

每一簇中的簇头将采集的数据传输至汇聚节点。簇头节点的选择既要考虑节点能量,又要考虑节点所在区域的网络拓扑位置。例如,如果节点所在区域拓扑密度大,则其有更高的优先级成为簇头[10],如图1所示。

图1　拓扑位置与网络能量关系

如果簇头位置在网络拓扑密集区的边缘,即低密度位置,簇头簇内半径,簇头位置在网络拓扑密集区的中心,即高密度位置,簇头簇内半径。可以推导出,选择节点在高密度位置的节点作为簇头拥有更高的通信能耗效率。

4.2簇头轮换

由于节点能量的不断变化,不可能让单一节点始终担任簇头角色,因此,大部分路由协议采用簇头轮换机制。对于能量异构网络而言,簇头的选择可以改变以往的思路,若某节点占有能量优势,让其连续成为簇头或某几个节点轮流成为簇头。本文采用以下方法:

1) 为实现节点的负载平衡,选择相对剩余能量大的节点担当簇头;

2) 当某节点成为簇头,收集一次簇内节点剩余能量信息,根据簇内节点信息按一定规则确定下一任簇头对象;

3) 如果其他节点的剩余能量小于当前簇头能量,那么该簇头继续承担簇头角色;

4) 反之,若其他簇头中有一节点剩余能量大于当前簇头节点,该簇头退出,由剩余能量大的节点担任簇头角色。

采用上述方法避免了每轮簇头的选择,降低了算法开销,达到尽量延长网络生命周期的目的。

5仿真分析

为了验证基于拓扑关联路由算法的有效性,将本文算法与LEACH、EEUC算法进行比较。网络大小设定为100m×100m,节点数为100,节点的位置随机生成。具体参数如表1所示。

表1　网络参数

仿真1本文算法与LEACH、EEUC算法网络寿命比较。

图2　各算法网络寿命比较

如图2所示,执行至大约850轮时,LEACH算法出现死亡节点,执行至大约1150轮时EEUC算法出现死亡节点。LEACH算法过早出现死亡节点,主要是簇头选择采用了随机方式,EEUC算法在选择路由节点时考虑剩余能量,缓解了簇头能量消耗不均衡的问题。本文算法在大概1250轮时出现死亡节点,主要是选取簇头时既考虑剩余能量又考虑节点的网络拓扑位置,簇头每轮不必进行簇头选择,降低了算法开销,延长了网络寿命。

仿真2为了准确描述网络剩余能量和生存周期的关系,对其进行仿真验证。

图3　剩余能量与生存周期关系

从图3可以看出,本文算法的能量消耗小于LEACH算法和EEUC算法。网络失效时,EEUC算法剩余能量大约90J,本文算法剩余能量大约51J,本文算法有更长的网络生命周期。

6结语

针对森林火灾无线传感器网络监测严格要求能量的特征,本文提出一种基于网络拓扑关联的路由算法,该算法执行过程中根据剩余能量和节点在网络拓扑的位置进行簇头选择,根据某邻居节点收集能量信息进一步确定下一任簇头。簇头轮换根据剩余能量大小决定,避免了每轮进行簇头选择,节约了频繁簇头选举带来的额外通信开销。仿真结果表明,与LEACH算法和EEUC算法相比,本文算法节省了簇头选取能耗开销,显著延长网络的存活时间。

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Efficient Routing Algorithm in Forest Fire Monitoring Wireless Sensor Network

WANG Yanli

(College of Network Security and Information Technology, Weinan Normal University, Weinan714000)

AbstractIn order to improve the performance of forest fire warning system, an effective routing algorithm is proposed. Based on the residual energy, the cluster head is designed. At the same time, due to the forest environment, the network topology is dynamic, the node position is considered in the process of cluster head selection. For the energy heterogeneous network, if a node has much energy, it can become a cluster head or a few nodes alternately to be cluster head. Theoretical analysis and simulation results show that the algorithm is effective balance between energy consumption of nodes, the algorithm reduces the overhead and prolongs the network life cycle.

Key Wordswireless sensor network, residual energy, energy consumption, network life cycle

收稿日期:2015年12月9日,修回日期:2016年1月29日

基金项目:渭南市科技计划项目(编号:2015KYJ-2-2,2015KYJ-2-3);渭南师范学院科研项目(编号:15YKP006)资助。

作者简介:王艳丽,女,硕士,讲师,研究方向:无线通信信号处理、无线网络技术。

中图分类号TP3391.9; TN929

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.025