节能感知的无线传感网接入控制与路由优化策略

刘 洋,姜海波,王 峥,庞振江,刘贞瑶,高 超,胡成博,路永玲,孙海全,徐江涛

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京 211103; 2.国网江苏省电力有限公司,南京 210024;3.北京智芯微电子科技有限公司,北京 100192; 4.国网江苏省电力有限公司检修分公司,南京 211102)

0 概述

输电线路监测是电网运维过程中不可或缺的环节,尤其在恶劣的极端环境下,及时将输电线路沿线所采集的各类物理参量及时反馈到监控中心进行分析与决策,能够显著地提高电力传输的可靠性[1-2]。基于自组织或蜂窝组网形式的无线传感网(Wireless Sensor Network,WSN)技术能够有效替代人工监测方式,在降低电网维护成本的同时提高监测的准确性[3]。部署在输电线路沿线的传感器通常以无人值守的模式运行,无法人为地为设备更换电池。因此,在能量受限场景下,传感器高数据传输性能需求与设备寿命需求之间的矛盾尤为突出,成为包括输电线路传感网在内的诸多无线传感网迫切需要解决的关键问题[3-4]。

作为衡量WSN性能的关键指标之一,传感器能耗特性对传感器使用寿命具有重要的影响作用。在通常情况下,传感器节点的能耗主要源自于发射端的数据传输,由媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层协议与网络层协议共同影响。在MAC层,由于频繁的空闲监听和节点激活调度,传感器面临高能耗挑战,因此通过优化WSN中MAC协议可以达到降低能耗、延长设备使用寿命的目的。而在网络层,路由协议可为数据传输规划适当的路径,高效的路由协议设计不仅能够降低数据传输时延,而且能够降低无线传感网的整体能耗。因此,如何设计基于MAC层和网络层的跨层优化策略,在降低设备能耗的同时保证监测数据传输的时效性,成为输电线路监测领域的热门课题[1-3]。

本文针对在能量受限场景下无线传感网中数据传输的高性能与低能耗需求之间的矛盾,提出一种节能感知的传感网接入控制与路由优化策略。

1 相关研究

时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)是用于输电线路传感网簇内节点调度的经典MAC层方案,主要包括TDMA方案[5]、位图辅助(Bit Map-Assisted,BMA)方案[6]以及位图轮询(Bit Map-Assisted-Round Robin,BMA-RR)方案[7]。TDMA方案为簇内的每个节点分配正交时隙进行数据传输,该方案的缺点在于即使没有数据传输需求,节点在所分配到的时隙内仍然保持激活状态,从而带来了不必要的能量消耗。BMA 方案在节点没有数据传输需求时关掉射频模块以节约能量,但固定的时隙分配方式无法适应不同节点的负载时变性。BMA-RR方案作为TDMA方案和BMA方案的演进版本,采用自适应轮询的TDMA调度策略来满足节点数据传输的动态需求。然而,该方案仍然存在以下不足:1)忽略了节点的剩余能量,存在剩余能量无法完成数据传输的可能性;2)簇外通信时节点能量分布不平衡,容易导致离基站较近的簇头节点能量过早耗尽;3)存在空闲监听的可能;4)在节点的调度与激活过程中忽略了无线信道的随机特性。

在WSN中,多跳通信技术能够显著改善传感器远距离端到端通信的能耗性能[8]。源路由方案由于低通信开销的优势成为WSN首选的多跳通信方案。适用于输电线路监测数据传输的经典源路由协议包括动态源路由(Dynamic Source Routing,DSR)[9]、按需距离向量的自组织路由(Ad Hoc On-demand Distance Vector,AODV)[10]、能效优先的非均匀聚类(Energy-Efficient Unequal Clustering,EEUC)[11]和非均匀聚类的多跳路由协议(Multihop Routing Protocol with Unequal Clustering,MRPUC)[12]等。在DSR协议中,数据包头中包含了所有路由节点的有序列表,节点能够通过缓存特定的路由来降低该路由发现请求的频率。AODV协议通过定期发送hello消息进行链路中断检测来确保当前路由的可用性,但是,hello消息的频繁发送会带来大量的通信开销。

上述协议在选择路由时没有考虑链路质量以及源节点到目的节点路由上中继节点的能量级别,因此端到端数据传输性能受到极大限制。EEUC为基于能量感知的多跳路由协议,通过非均匀簇拓扑结构实现簇间通信。然而,该协议未使用节能MAC协议进行通信,也没有考虑所选路由的信道质量。MRPUC是一种基于非均匀聚类的多跳路由协议,根据簇头(Cluster Head,CH)的距离和簇头的能量水平选择路由。然而,由于该协议在MAC层需要采用传统的TDMA方式进行接入控制,导致了大量不必要的空闲监听。

近年来,环状路由策略在学术界引起了广泛的关注,基于环状路由的多跳通信有效克服了簇头节点能量分布不平衡的不足,避免了距离汇聚节点最近的中继节点能量过快耗尽[13],特别适用于汇聚节点位置动态变化的场景。然而,由于算法复杂度的约束,当汇聚节点位置固定不变时环状路由相比传统的路由协议优势并不明显。此外,研究者仍在探寻高效的路由协议来支持WSN的低能耗与低时延需求。文献[14]基于位置实时感知的思想研究了移动传感器数据传输可靠性与时延需求之间的折衷关系。文献[15]研究了通信跳数对传感器端到端数据传输性能的影响,并提出一种自适应的设备调度策略,尽可能保障传感器的接入数量。然而,这些工作都没有考虑MAC协议以及信道质量指标(Channel Quality Indicator,CQI)。事实上,由于无线信道的衰落特性,数据传输的可靠性是路由选择的重要性能依据,而从实际无线网络优化的经验来看,基于CQI的路由选择策略能够为数据传输提供极大的保障。

综上所述,在输电线路监测传感网中,基于TDMA的传统MAC层方案容易造成设备空闲监听,导致不必要的设备能耗。此外,基于MAC层与网络层的跨层联合优化策略的研究较为欠缺。因此,本文从构建节能感知的无线传感网通信框架出发,研究高效率的跨层数据传输协议。在MAC层提出基于节点能量等级的分簇算法和自适应节点激活调度算法;在网络层,基于CQI和簇头剩余能量提出了多跳路由选择算法;针对簇内和簇间通信过程中可能会出现的节点能量分布不平衡,提出了非均匀簇技术,并构建了能耗和业务时延的理论分析模型。

2 系统模型

本文的系统模型如图1所示,无线传感网由N个任意分布在二维平面的传感器节点组成。网络对这些节点进行分簇管理,每个簇包含若干个普通节点和一个簇头节点。传感器具有感知并保存周围环境参数、协助其他节点转发数据的功能。每个节点之间的通信链路都是双向的。此外,传感器节点在其整个生命周期内是不可移动的。但是,由于能量耗尽会导致节点死亡,网络中存在拓扑结构变化的可能性。簇内的普通节点能够直接将数据发送给簇头节点,簇头节点通过多跳传输的方式再将数据转发给基站。因此,本文所考虑的传感网的通信形式可分为两类:一类是簇内普通节点和簇头节点之间的直接通信;另一类是簇间簇头节点和基站之间的多跳通信。

图1 系统网络模型

图2给出传感器节点的通信框架,其中每个簇的设置有固定的通信周期,每个周期均由簇头构建阶段以及多个连续的通信会话帧组成,每个通信会话帧又分为簇内通信和簇间通信两个过程。簇内通信包含簇头竞争、簇头构建、簇成员接入以及数据传输阶段;簇间通信包括路由请求、路由回复以及多跳通信阶段。

图2 通信框架

2.1 非均匀簇构建

在网络初始化阶段,基站通过向所有节点广播hello数据包告知其标识(Identification,ID)和地理位置坐标等信息。根据接收到的广播消息,节点分别计算它们与基站之间的通信距离。在完成网络初始化后,节点进入分簇阶段。

在多跳通信场景中,靠近基站的节点不仅需要发送自身感知的数据,还需要充当中继转发其他节点的数据,因此具有更高的能耗。此外,普通传感器节点和簇头节点上业务到达量的差异会引起WSN中节点能量消耗的不平衡。由于能量的限制,簇内节点的数量应与簇头节点的剩余能量成正比,以使簇头能够满足其业务传输需求。为了避免节点能量消耗不平衡现象,本文提出一种非均匀分簇策略。

在簇构建期间,传感器节点首先在一段时隙内竞争簇头角色。所有节点均广播自身的暂定簇头状态消息,该消息包括节点的ID、能量等级以及位置坐标。如果一个节点监听到一条带有更高能量等级的消息,将放弃簇头竞争,否则推荐自己作为传输区域内的簇头。为了避免节点能量消耗不平衡,靠近基站的节点所在的簇应该具有较小的尺寸。基于此,定义分簇因子Cf来刻画指定簇头能够支持的最大传感器节点数,其取值由簇头到基站的距离和簇头剩余能量共同决定[10],即:

(1)

其中,dmax和dmin分别表示网络中所有簇头节点到基站的最大和最小距离,dCH表示CH到基站的距离,Er表示CH的剩余能量等级,Ea_CH表示所有簇头的平均剩余能量。在计算出Cf后,被选择的簇头将最终的簇头信息广播给其他普通节点。普通节点需要根据信号强度来预测其与簇头之间的链路信噪比SNRSN_CH和到簇头的距离dSN_CH,并以此来评估其将数据发送到簇头的通信开销Ccost,根据文献[16]有:

(2)

普通传感器节点首先根据通信开销最低的原则选择簇头发送链接请求,当某个簇达到最大容量时,簇头将广播禁止连接消息。此时,被拒绝的普通节点再次根据相同的原则将连接请求发送给下一个簇头节点,直到成功加入到一个簇为止。最后,簇头更新簇内成员列表。

上述分簇流程通过图2和算法1进行具体说明。

算法1分簇算法

1.基站广播关于其部署特性的初始化消息，节点分别计算其到基站的距离，节点在其通信范围内通报其暂定的簇头状态，节点评估在同一区域内相对于其他节点的能量等级;

2.IF

某个节点的能量等级高于其通信范围内其他节点的能量等级;

3.推举自己为簇头，计算分簇因子，告知其通信范围内其他节点最终的簇头状态，等待其他节点的连接请求;

4.ELSE

5.放弃簇头竞争,充当普通节点,根据最低通信开销原则向簇头发送请求连接;

6.END IF

7.IF

簇内节点数量达到最大值;

8.广播禁止连接状态;

9.ELSE

10.允许节点连接;

11.END IF

12.簇头形成簇内成员列表。

为了平衡不同节点的能量消耗,在不同时间段,簇头角色可能会由簇内成员轮流担任。当簇头的剩余能量低于簇内普通节点的平均水平时,能量等级最高的节点将被选择为新的簇头。此分簇算法将产生变簇大小的拓扑结构,簇大小随着簇头到基站的距离的减小而减小。

2.2 簇间多跳通信

如图2所示,在一个通信会话帧中,在接收到来自于簇内普通节点的数据后,簇头节点将通过其他中间簇头(Intermediate Cluster Head,ICH)节点将数据转发给基站。本文提出基于能量与CQI的按需路由策略来实现簇间的多跳通信,该策略包含路径发现、多跳传输以及路由维护3个方面。

2.2.1 路径发现

在WSN中,基站能够覆盖所有节点,但并不是所有节点都能直接与基站通信。只有当存在比源簇头(Source Cluster Head,SCH)到基站距离更短的中间簇头时,源簇头才能进行多跳通信;否则,源簇头将直接与基站建立连接。在网络初始化阶段,基站将向所有节点广播hello数据包,而节点根据接收到的信号强度能够计算出其到基站的距离以及相对于基站的位置坐标。源簇头使用多跳通信的条件为存在ICH,并满足下式:

d(SCH,BS)>d(ICH,BS)

(3)

其中,d(SCH,BS)和d(ICH,BS)分别表示源簇头和中间簇头到基站的距离。

簇间多跳路径发现在源簇头没有到基站的路由信息且有数据传输需求的情况下触发。在数据被传输到基站前,源簇头首先检查其路由缓存表中是否保存有到基站的路径。若没有到基站的路由信息,则源簇头通过将路由请求广播到其邻居中间簇头来初始化路由发现过程。中间簇头分别通过接收到的路由请求信号计算各自的CQI。中间簇头同样根据信道质量CQI和能量等级来处理源簇头的请求,如式(4)所示:

CQIICHi>CQIthr& &EICH>Ethr

(4)

其中,CQIICHi表示中间簇头在链路i上的CQI,CQIthr表示衡量信道质量好坏的门限值,EICH表示中间簇头的能量等级,Ethr表示中间簇头能够担任中继节点的能量门限。具有到基站路由信息的中间簇头将携带CQI指示的消息回复给源簇头。该CQI信息记录了到该中间簇头到基站的路径p中CQI最小值,由下式计算得出:

(5)

若源簇头通信范围内的中间簇头都没有连接基站的路由信息,则这些中间簇头将源簇头的路由请求转发给更远的中间簇头,直到获得连接基站的路由信息为止。类似地,源簇头分析每条可行路径上的最小CQI,并从最小的CQI中选取最大值所对应的路径作为到基站的路由,即路由选择SCH-BSroute满足:

(6)

其中,Routes(SCH)表示源簇头和基站之间存在的不重叠路径集合。需要注意的是,若两条不重叠路径有相同的CQI,则选择跳数较小的路径转发数据。

2.2.2 多跳传输

源簇头到基站的最佳路由确定后向基站转发数据。在每一跳中,中间簇头的地址被添加到包头,以便在多跳中传输到基站。此外,在目的节点收到数据包后发送确认消息给源簇头,并指示当前的信道质量。具体的源簇头和中间簇头通信过程如图2所示,整个多跳传输算法如算法2所示。

算法2多跳传输算法

1.IF

源簇头能够与基站直连通信;

2.源簇头检查信道状态,向基站发送数据;

3.ELSE

4.源簇头检查路由表;

5.IF

存在到基站的路由缓存;

6.直接向下一跳中间簇头发送数据;

7.ELSE

8.向周围中间簇头发送路由请求，中间簇头根据路由请求包计算CQI;

9.IF

CQI低于最差门限或者中间簇头能量低于最低门限;

10.中间簇头忽略路由请求;

11.ELSE

12.For ICH1:ICHBS-1

13.中间簇头检查其是否保存有到基站的路由信息;

14.IF

存在路由缓存;

15.更新路由CQI并发送路由回复;

16.ELSE

17.将路由请求转发给其他中间簇头,直到找到基站路由为止;并返回路由回复;

18.END IF

19.END FOR

20.END IF

21.选择CQI最大的路由,向下一跳中间簇头发送数据;

22.END IF

23.END IF

2.2.3 路由维护

源簇头和中间簇头可将新获得的路由信息保存在路由缓存中,以备将来使用。特别地,源簇头在路由缓存中可最多存储3条到基站的最佳路由。当最佳路由出现路由故障时,源簇头可迅速使用缓存中的下一个最佳路由,避免重新发现路径所带来的额外时延。链路维护主要通过数据传输过程中在所选的路由上使用ACK (Acknowledgement)包完成。中间簇头在链路上发送最新的CQI信息,并在收到数据包时在ACK包上更新其能量级别,从而观察到链路是否变差以及是否需要使用替代路由。当链路故障发生时,源簇头将收到一个路由错误包,指导源簇头将失效路径从路由缓存中删除。若源簇头所记录的3条最佳路由同时出现故障,那么在需要发送数据时,源簇头将重启路径发现。

3 性能评估模型

3.1 信道模型

(7)

根据SNR取值的不同,可以用三状态马尔可夫链估计信道状态,即可用状态集合:S={g,f,b}刻画信道质量的好、中、差。将SNR取值划分为3个不相交的区间,即0<Γf<Γg<+,当γ∈(0,Γf]时,信道处于差质量状态,当γ∈(Γf,Γg]时,信道处于中等质量状态,当γ∈(Γg,+)时,信道处于好的质量状态,则信道的稳态概率满足:

(8)

3.2 业务模型

无线传感网的节点在感知周边环境时会产生流量。本文将节点业务的到达过程视为平均速率λp(packets/s)的泊松过程。将系统时间划分为连续的时间帧,每一帧的长度固定为T。在第t个帧内,业务到达量Xt的概率分布和数学期望值分别满足:

Pr(Xt=k)=((λpT)k/k!)e-λpT

E(Xt)=λpT

(9)

在多跳网络中,每个节点的流量取决于节点的类型。对于簇头节点或者中继节点,其业务到达过程可等效为由不同的独立泊松过程叠加而成的新泊松过程。因此,对于不同类型节点,其业务到达率满足:

(10)

其中,Ni和Nj分别对应源簇头和中继节点所支持的普通节点数,λpi、λpk、λpj、λpl分别表示节点i、k、j、l处的平均业务到达率。

3.3 网络性能

3.3.1 网络状态行为

在每个时间帧内,任意节点均存在3种可能状态,即休眠态S1、激活态S2以及退避态S3。网络的状态可以通过马尔可夫过程建模,状态空间为x={1,2,…,K},其中,x表示一个时间帧内网络激活的节点个数,K表示一个帧内能够调度的总节点数。节点在休眠态的停留时间服从均值为1/uS1的几何分布,在激活态的平均停留时间服从均值为1/uS2的几何分布,在退避态的停留时间服从均值为1/uS3的几何分布。网络状态在不同时间帧中是持续变化的,即在每个帧中,节点可能从其他状态转换到激活状态,也会有节点从激活状态转变为其他状态。令Pij表示在当前时间帧有i个激活节点的条件下,下一个时间帧有j个激活节点的概率,则该状态转移概率可表示为:

(11)

其中,fA(y|i)=b(y,N-i,1/uS1)表示前一时刻有i个激活节点情况下该时刻有y个节点进入激活态的概率,该过程服从二项分布,fT(y|i)=b(y,i,1/uS2)表示前一时刻有i个激活节点情况下该时刻有y个节点离开激活态的概率,该过程同样服从二项分布。此外,以πj表示网络状态x=j的概率,根据马尔可夫状态转移理论,有:

(12)

根据文献[18-19],在一个含有z个簇和j个激活节点的网络中,k个激活节点属于同一个簇的概率服从二项分布,即:

(13)

其中,CN表示一个簇中传感器节点的数目。

3.3.2 节点调度

由本文所提出的节点调度算法可知,实际业务量越大、剩余能量越少的节点能够被优先调度。调度器根据MAC层和物理层的信息来决定信道的分配,对于有k个节点的簇,在一个时隙内节点w被调度的概率为:

(14)

其中,参数φi表示节点i中数据包到达数量ni与剩余能量Eri的比值,被用于决定节点i通信资源竞争成功的概率。对于被调度的节点,在数据传输阶段大概率保持激活态,传输大量数据,因此其剩余能量也相对较少。这意味着Eri与节点i在激活态停留的时间成正比。此外,数据包到达量ni与业务到达率以及帧长度成正比关系,因此,φi可表示为:

(15)

3.3.3 节点状态分析

节点状态转移过程如图3所示,若节点没有数据传输需求,则处于休眠态;若有数据传输需求,但没有被调度,则处于退避态;若有数据传输需求且得到调度,则处于激活态[20]。

图3 节点状态转移示意图

因此,节点的状态转移概率矩阵可表示为:

(16)

其中,PSiSj表示节点从状态Si转移到状态Sj的概率(i,j={1,2,3})。

1)若节点在上一时隙处于休眠态,则当前时隙的各状态概率为:

(17)

2)若节点在上一时隙处于激活态,则当数据传输完成时,进入休眠态;当仍有数据传输需求时,保持激活态,当前时隙的各状态概率为:

PS2S3=0

(18)

3)若节点在上一时隙处于退避态,则当节点被调度时,进入激活态;当没被调度时,保持退避态,当前时隙的各状态概率为:

PS3S1=0

(19)

综上所述,节点状态的稳态概率ΨS1、ΨS2、ΨS3可以通过求解以下方程组得到:

(20)

容易证明,上述方程组为三元一次方程组,可联立式(17)～式(19)进行求解。

3.4 能耗分析

本节将基于本文提出的通信协议分析节点的能耗。对于任意一个节点,其能耗模型可通过下式表示:

(21)

其中,ESj表示节点在状态Sj的能量消耗。定义节点在休眠状态的功率为PwS1,停留时间为TS1,则有:

ES1=PwS1TS1

(22)

同理,定义节点在退避状态的功率为PwS3,停留时间为TS3,则有:

ES3=PwS3TS3

(23)

若节点处于激活态,其能量消耗既可能来自于数据发送,也可能来自于数据接收,激活态停留时间与业务量大小以及传输速率有关。假设Pwtx和Pwrx分别表示发送数据和接收数据时节点的功率,R表示节点的数据发送速率,Lpac、Lack、Lrts、Lsch、Lcts分别表示数据包长、ACK包长、RTS包长、调度信息包长以及CTS包长,则节点的激活态的能量消耗满足:

(24)

需要注意的是,传感器在不同阶段可能只发送数据或者只接收数据,在这种情况下,可将Pwtx和Pwrx按照具体场景设置为0。

因此,对于具有CN个节点的簇,其簇内通信的总能耗为:

(25)

对于簇外多跳通信,簇头节点沿指定路由向基站转发数据所消耗的能量与其业务量以及其作为中继转发的业务量相关,在给定路径p上,中继节点CH的能量消耗可通过下式求得:

(26)

其中,kp表示CH作为簇头和中继节点需要向下一跳中间簇头转发的数据包数量。

此外,源簇头到基站(BS)的路径发现所消耗的能量来自于路由请求和路由回复,前者能耗可建模为:

(27)

其中,NCH表示网络中所有接收到源簇头路由请求消息的中间簇头节点数量。路径p上中间簇头回复路由请求所消耗的能量可建模为:

(28)

其中,IM表示路径p上中间簇头的数量。

3.5 错误率与时延分析

以瑞利衰落信道和BPSK调制为例,信息传输的误码率与信噪比有关[21],对于本文所提的路由协议,路径p的信噪比γp=minICHi∈p(γICHi),因此数据传输误码率满足[22]:

(29)

对于一个包长为L的数据包,其传输错误率为:

(30)

因此,在路径p上,数据包在传输过程中的时延为:

(31)

4 性能评估

本节对本文所提数据传输协议的性能进行仿真,同时与文献[7]的BMA-RR MAC层协议进行比较。BMA-RR MAC层协议是改进的TDMA与BMA协议,在输电线路无线传感网中表现出较好的性能。本文将100个非移动节点随机撒在1 000 m×1 000 m的二维矩形区域,并分别通过C++软件和Matlab软件进行仿真。此外,本文分别将所提的单独MAC层协议和跨层协议与BMA-RR MAC协议进行比较,仿真参数如表1所示[7]。

表1 仿真参数

图4表示在本文所提的MAC层协议与BMA-RR MAC协议下节点在簇内传输的能量消耗与业务到达率的关系,其中节点的业务到达率服从泊松分布。由图4可见,节点的平均业务到达率对其能量消耗有着显著的影响,尤其是在多通信会话周期场景下,节点获得越多的时隙传输数据,能耗也越大。

图4 每个节点在簇内通信中的平均能量消耗

Fig.4 Average energy consumption of each node in intra-cluster communication

然而,当业务到达率到达一定值后,节点的能耗趋于平稳,原因在于节点能够获得的传输时隙已经达到簇头所能分配的最大值。由于本文所提协议有效避免了节点空闲监听,并且在本文的分簇算法中,节点只有在没有发现比其能量等级高的节点时才去竞争簇头节点,有效避免了低能量节点过度消耗能量,因此本文所提出的MAC层协议在节点节能上优于BMA-RR MAC协议。

图5表示的是基于本文跨层优化协议、MAC协议与基站直连以及基于BMA-RR MAC协议与基站直连3种策略下的簇间传输能耗性能。通过观察可知,本文所提的多跳路由算法性能优于源簇头与基站直连通信的算法,这是因为本文所提算法考虑了链路CQI,最大可能地保障了数据传输的可靠性,避免链路情况较差导致的多余能量损耗。而且,本文所提算法利用非均匀分簇方法,通过平衡节点间能耗,提高了能量利用效率。因此,在无线传感网中数据传输的优化需要跨层考虑。

图5 单通信周期内簇间传输能量消耗

Fig.5 Inter-cluster transmission energy consumption in a single communication cycle

图6表示业务的端到端平均时延性能。随着业务到达率的增加,时延性能恶化的趋势越来越大,这是因为每个簇头以及整体网络的服务能力都是有限的,数据量越大,簇内节点和簇头节点的数据积压量与排队时延也越大。因此,端到端总体时延随着业务到达率的增加而不断恶化。相比其他协议,本文所提出的数据传输协议能够保证更低的时延,这是因为通过选择较好的链路转发数据,保障了数据传输的可靠性,减少了数据重传次数,降低了传输时延。此外,本文所提出的算法减少了源簇头节点重新启动路径发现的频率,从而有效地缩短了由于选择路径而产生的额外时延。

图6 端到端平均时延

图7表示在不同仿真周期内提取的分簇信息,其中区域A、B、C距离基站的距离依次减小,需要分别通过2个、1个、0个中继节点向基站转发数据。相比基于聚类思想的BMA-RR协议在不同区域分簇大小基本一致,本文所提跨层优化算法在不同区域分簇的大小是不同的,离基站越近,需要转发的数据量越多,簇头节点的能耗越大,能够支持的节点数也越少,所以距离基站越近的区域簇的数量越多,从而能够有效地保障节点能量分布的平衡性。

图7 簇大小比较

图8表示不同区域内数据传输的平均值和所有节点总的平均值。通过观察可知,当节点的平均业务到达率较低时,距离基站越近,节点的数据传输时延越低。由于距离基站较近的簇头需要承担中继角色,并且距离基站越近,需要转发来自于其他区域的数据量越多,因此不同区域的时延性能差异并不能简单地按通信跳数进行评估。此外,随着业务到达率的增加,不同区域节点的数据传输时延差异逐渐减小,这是因为距离基站较近的簇头需要转发的数据量已经达到其通信能力上限,网络开始出现通信瓶颈。

图8 不同区域数据传输时延

5 结束语

为最大限度地降低能耗,延长输电线路监测网络传感器寿命,本文提出一种自适应的簇内调度策略。通过控制节点在休眠、活动和退避状态之间转换减少传感器节点的空闲监听,从而降低传感器能耗。给出一种按需路由协议,基于CQI和簇头能量等级选择簇间最佳路由,采用非均匀分簇技术,基于簇头剩余能量和距基站距离实现簇间能量平衡,延长网络寿命。实验结果表明,本文方案不仅有效地降低了节点的能量消耗,延长节点的寿命,而且明显缩短了业务传输时延。考虑到实际输电线路监测网络环境的复杂性,下一步将针对具体场景特点对簇头选择和路由决策所需的相关阈值进行研究。