回臼 中文核心期刊 光纤无线传感网的节能路由算法分析 王春丽 ，王全宇 ，王敏翔 ，韩根亮。，鲁怀伟 （１．兰州交通大学电子与信息工程学院，兰州７３００７０；２．甘肃省集成电路工程研究中心，兰州７３００７０； ３．甘肃省传感器与传感技术重点实验室，兰州７３００７０；４．兰州交通大学数学与物理学院。兰州７３００７０） 摘要：分布式铁路光纤传感网受光器件、光纤连接损耗及封闭式传输架构，检测点数少，不易于与其 它网络融合。而基于物联网技术的光纤无线传感网络可实现大规模、可扩充的现代分布式铁路光纤无线 传感网络。为降低光纤无线传感网中传感器节点能耗，研究了传统的低功耗自适应分簇（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃ１ｕｓｔｅｒｉｎｇ ｎｉｅｒａｒｃｈｙ，ＬＥＡＣＨ）路由算法，针对该算法引起的“能量空洞”与“网络热点”问 题，基于二重异构网络，进行了路由算法的改进研究。实验结果表明，改进的路由算法能显著降低传感器 节点能耗，延长其使用寿命。 关键词：光纤无线传感网；节点能耗；能量空洞；路由算法 中图分类号：ＴＮ９２９．１ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２．５５６１（２０１８）０５—００２９—０４ ＤＯｌ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌＯ０２—５５６１．２０１８．０５．００８ Ｒｏｕｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａＩ ｆｉｂｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＮＧ Ｃｈｕｎｌｉ 一， ＮＧ Ｑｕａｎｙｕ ，ＷＡＮＧ Ｍｉｎｘｉａｎｇ ，ＨＡＮ Ｇｅｎｌｉａｎｇ ３ ＬＵＨｕａｉｗｅｉ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＩＣ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ：３．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ；４．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ｔ７３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｄｉｉｃｕｌｆｔ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｏｗｎ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ—ｌｏｓｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ，ｃｌｏｓｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｅｗｅｒ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｐｏｉｎｔｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｄ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ ｍｏｄｅｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｒａｉｌｗａｙｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｍｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＬＥＡＣＨ （Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）ｒｏｕｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｈｅ ｔｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｎ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｉｔｓ ｉｎｓｕｆｉｃｉｆｅｎｃｉｅｓ ｏｆ“ｅｎｅｒｙ ｇｈｏｌｅｓ’’ａｎｄ“ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ ｏｆｎｅｔｗｏｒｋ”，ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈａｔ ｈｅ ｔｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｔｉｍｅ ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｅｎｅｒｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｇｉｏｎ ｏｆ ｎｏｄｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｈｏｌｅｓ；ｒｏｕｔｉｎｇ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ０引言 分布式铁路光纤传感网受到光源带宽与能量、光 收稿日期：２０１８—０３—０１。 基金项目：国家自然科学基金（６１４６１０２４、６１３６６００６）资助：兰州交通大 学校青年基金（２０１４００３）资助；兰州交通大学研究生教改项目（基于《现 纤连接损耗等因素制约，可监测点最多只有几十个． 传感器之间以光纤相连．信息只能通过光纤传输．无 法与其它网络进行高效的信息交换 而铁路物联网提 出的传感网络兼容、功能易于扩充及数据便于融合的 要求，仅依靠光纤自有的复用技术，难以组建大规模、 代电子技术》课程的研究生创新实验能力培养与实践１资助。 作者简介：王春丽（１９８１一），女，在读博士，讲师，研究方向为光纤传感网 络、无线传感技术。 分布式和可扩充的传感网络。近年来．科研人员在现 有光纤传感网中融合了无线传感技术．对铁路沿线特 ２０１８年第５期兜氮镭筏 ⑩ 团酪 Ｅ春丽．Ｅ全字． 敏翔．等：光纤无线传感网的 能路ｌＩ１分析 殊环境中列车运行、基础设施状态实时监测和预警展 开了研究。２００９年，陈艳华研究了用于高速铁路测速、 １．２铁路光纤无线传感网节点能耗分析 在无线传感器节点中有３个模块需供电：光源、 解调系统和无线通信模块 无论是宽带光源还是ＤＦＢ 激光器．光源对供电的稳定性要求都比较高。节点能 耗越低，系统工作性能越稳定。文献ｆ３，４１采用的方法 定位的传感器系统．证明多种传感器融合的方法适用 于铁路定位［１１。２０１３年．南宁铁路局应用无线传感网络 技术对铁路通信塔进行监控研究ｆ２１。研究表明。铁路光 纤无线传感网具有良好的自组织与可扩展性、适应性 强、易于灵活部署、低成本和智能化等特征。顺应了时 代与行业发展的需求 是：任意一个传感器节点只在被簇头寻址时，启动可 调谐ＤＦＢ激光器并运行数据采集、处理、运算、传输等 程序：未被寻址时将上述功能关闭．同时利用无线芯 片的ＷＯＲ功能．在无通信请求时将通信模块设置为 本文将光纤光栅传感技术、波长解调技术和无线 通信技术相结合进行组网设计．利用光纤与无线传感 低功耗休眠状态．只保留无线收发机的定时接收和查 器协作完成数据检测、分析、传输和决策等功能。通过 询功能：簇头的收发机总是处于无线信号发送和接收 改进网络传输路由算法降低传感器节点能耗．延长节 状态．从而对其管辖范围内的节点进行逐一寻址．完 点使用周期．提高数据传输可靠性．保障铁路安全运 成数据的接收、融合及通过路由传送至远程基站的任 行 务圈。簇头的功耗明显高于普通传感器节点．一旦其能 量耗尽就无法实现簇头的功能 １铁路光纤无线传感网设计 １．１铁路光纤无线传感网组网设计 ２低功耗自适应分簇（ＬＥＡＣＨ）路由算法仿真 铁路光纤无线传感网结构如图１所示．光纤传感 为解决上述功耗以 始 器通过无线发送模块将各节点采集到的数据发送到 及无线传感器网络大跨 监控中心．由监控中心的计算机对这些数据进行分析 度组网、传感器动态自适 ： 点是 处理，进而提供预警等信息，此网络分为两层结构： 应和有限传输距离等问 塑墨 苎查Ｉ Ｖ ■ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络层和ＧＰＲＳ远程通信网络层 题．本文首先采用传统的 ’、．．．．＿—窭 －－＿－．．．．．．一， ｌ『 在ＺｉｇＢｅｅ网络层，路由器节点布置在铁路沿线．通过 ＬＥＡＣＨ路由算法平衡节 通知簇内节点ＩＩ＜ 自组织网络和多跳通信的方式．实现小范围内光纤传 点能耗，使任一节点等概 感器数据的汇集和路由转发 协调器节点固定外接电 成为簇头 ＬＥＡＣＨ算 数据发送阶段 源，实现较大范围的数据汇集、网络维护并充当公网 法的轮询流程如图２所 与专网间的ＧＰＲＳ网关 ＧＰＲＳ网络层将ＺｉｇＢｅｅ网络 示。在簇头选举阶段．每 图２ ＬＥＡＣＨ算法的轮询过程 层的数据传送到监控中心．完成信令交互。 个节点在０～ｌ选择一个随机数．如果该数值小于门限 光纤无线传感器实现信息感测ｆ包括光源和传感 值Ｔ（ｎ），当选簇头。 光路１、数据采集分析、无线通信和供电４大功能，本文 门限值Ｔ（ｎ）的计算如式（１）： 采用ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ生产的基于ＡＲＭ架构的单片 机ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ作为微处理器．实现光纤传感器与无 （Ｊ１）＝ 一 珂 ∈＿，ｎ∈Ｇ ㈩ 线芯片之间的配置、控制、数据传输及协议解析等功 能 无线传感器节点的供电模块设计对节点的寿命和 ０，ｎ圣Ｇ 通信能力具有非常重要的意义 其中．Ｐ为网络初始化时原始无线传感网络中簇头节 点在总节点数中的占比或簇头自举概率：ｒ为非簇头 的轮数：Ｇ是前１／Ｐ轮中非簇头节点的集合．非该集合 中的簇头门限值置０．不再参与自举。因此．随着轮数 增加．非簇头节点成为簇头的概率增加．使得每个节 点都有机会当选为簇头．均衡网络能耗 根据上述ＬＥＡＣＨ路由算法进行Ｍａｔｌａｂ仿真．结 果如图３所示．横坐标表示节点自举概率Ｐ的百分占 图１铁路光纤无线传感网结构图 比值，纵坐标表示对应节点能量门限值Ｔ（ｎ）的百分占 ④．允窥镭李垂．书２０１８年第５期 圃臼 王春丽．王全宇，王敏翔，等：光纤无线传感网的节能路由分析 比值．“ 表示在不同能量节点处选举出来的簇头节 点．“ｏ”表示具有不同低能量值的非簇头节点，“×”表 示能量汇聚节点 ３．１路由优化算法 传感网络中包括普通低能量节点和高能量节点． 传统ＬＥＡＣＨ算法采用等概方式，会使低能量节点自 举为簇头。使节点过早死亡，网络使用周期缩短，因此 选择簇头时．应选择能量高的节点作为簇头Ｉｌ２１。在簇头 产生阶段．每个节点在０～１选择一个随机数．如果随 图３中的路由算法采用了分簇的分层设计思想． 以动态、轮询和等概方法选举簇头。簇头节点对汇集 到的所有数据进行融合处理，避免单个节点的负担过 重．使整个数据量得以减少，所消耗的能量降低，达到 机数小于门限值，节点被自举为簇头。式（２）是普通低 能量节点的门限值。式（３）是高能量节点的门限值。 高效节能的目的．延长了传感器节点的网络使用周 期。但是．上述路由算法也存在一定的不足： ①在选取簇头时没有考虑节点的剩余能量，当节 点剩余能量少时依然有机会成为簇头．这样加速了节 点的死亡 ５ｎ圳）＝ － ｎｌ＇ｍ－ ０，５舢岳Ｇｌ Ｐａｄｖ②簇头直接将数据 １ 转发至基站，能耗低，而 Ｔ（ 由）＝ 距基站较远的节点．需墨 将数据先转至簇头．增兰ｒ－－ 加了自身能量消耗．缩囊 短了存活时间．在网络 中产生“能量空洞”问 题【埘 节点自举概率Ｐ（％） 图３簇头自举算法仿真图 可 ㈤ 式（２）是普通低能量节点的门限值，该节点成为 簇头节点的概率是Ｐ删 。式（３）是高能量节点 ③Ｐ值的最佳值难以确定，而Ｐ值的选取却会对 簇头的数量产生影响 Ｐ值的确定一般与网络规模、节 点数目和基站位置有关。 的门限值， ＝ 基 为高能量节点成为簇头节点 的概率，Ｐｎ ，为整个网络簇头节点的概率。ｒ为当前轮询 次数．前１／Ｐ轮中，Ｇ 是普通节点未自举为簇头节点 的集合．Ｇ１是高能量节点未自举为簇头节点的集合。 ｍ④由于门限值 １１）对应能耗不稳定，能量较高节 点易于自举为簇头．数据传输量加大，形成网络中的 “热点”．加速了其能量衰耗，缩短数据在网络中的存 活周期 为网络中高能量节点的占比，ａ为高能量节点高于 正常节点能量比例值【ｌ３］。 ３．２路由优化算法建模 ⑤簇内节点一般选取离自己近的簇头并加人该 簇．比较容易出现极大簇和极小簇的情况。 ⑥簇头节点直接把数据发送给汇聚节点，增加了 簇头节点的负担 首先选取一个传感节点能量传输模型．传感网中 射频通信和数据处理是主要的能耗点，若要发送Ｋｂｉｔｓ 数据，每ｂｉｔ数据所需能耗为Ｅ如，两传感节点间距离 为ｄ。自由空间的传播系数为玩，多径衰落的传播系数 为 。节点接收Ｋｂｉｔｓ信息时的总能耗 可表示为： Ｅ Ｋ×Ｅ 厂 ３ ＬＥＡＣＨ路由算法优化及仿真实验 ＬＥＡＣＨ是首个分簇路由协议算法．对分簇路由的 发展具有里程碑意义．但ＬＥＡＣＨ路由算法在簇头的 选取、非簇头节点的入簇方式及簇问路由等方面存在 一（４） 在传输距离ｄｏ＝、／Ｖ Ｊ ２范围内，即ｄ≤ｄｏ时，采用 ￣ｍｐ 自由空间模型：ｄ＞ｄ０时，采用多径衰减模型。某节点传 输数据Ｋｂｉｔｓ，传输距离为ｄ时，其耗能 为： ｆ ，×Ｅｅ Ｋ× ＋ ｄ≤ｄｏ 一定不足【１１】．需要对ＬＥＡＣＨ协议进行改进。本文在某 轮寻址结束以后．针对节点初始能量不同，采用异构 网络ＳＥＰ算法．将该区域的节点结构进行重组，动态 ＩＫ× Ｋ× 。＋ｄ４，ｄ＞ｄｏ 分簇．重新选举簇头。这种重组和轮询机制有效降低 了传感器网络节点的能耗．同时保证各节点能耗的均 ４算法仿真结果分析 采用改进的路由算法后，经过５００、１５００轮循环 衡化．很大程度上延长了网络的使用寿命。 ２０１８年第５期兜甜ｌ客技书⑨ 回络 ｛ 舂 ，｝：全字， 敏翔．等：、比纤无线传感网的节能路南分析 选取，各传感节点的能量状态如图４、图５所示。图中 横坐标表示节点自举概率Ｐ的百分占比值．纵坐标表 示对应节点能量门限值Ｔ（ｎ）的百分占比值．“＋”表示 具有不同高能量值节点．“ｏ”表示具有不同低能量值 的节点．“ｘ”表示能量 汇聚节点．“ 表示在 不同能量节点处选举 使用周期及数据的无中断高效传输．本文通过对比分 析、优化选取无线路由算法，重点研究了无线节点节 能方法 仿真实验表明．无线传感网络中采用传统路 由算法进行节点能量轮循询过程中．整个网络自组织 形成一个个簇．每个簇采用等概方式选出各自簇头． 簇头汇聚本区域各节点数据．并对这些数据进行融合 处理、转发，因此簇头能耗远远大于普通节点，且自举 的低能量簇头存活周期短．易导致数据传输中断．降 出来的簇头节点 经过 １５００次轮询后．各节点 低传感网络可靠性、缩短其使用寿命；而采用改进的 基于异构网络的路由算法中．先将网络中的节点设备 节点自举概率Ｐ（％） 图４ ５００次轮询后各节点状态图 １００ 存活状态、能量分布如 图６、图７所示。图５中 “．根据其初始能量的大小分为高能量和低能量节点．采 用不等概方式．选用高能量节点充当簇头．避免簇头 节点的过早死亡．每次轮询后重新组建簇结构．重新 ”表示已经死亡的节 ，、点，循环的轮数越多．死 亡的节点也越多．经过 兰８ｏ 多次循环选簇．节点 譬 ６０ 选举高能量节点为簇头．不仅动态均衡了整个网络的 能量消耗．而且延长了网络使用寿命．提高了数据传 输有效性和可靠性 该算法可应用于大跨度组网的铁 路光纤无线传感网中的低能耗路由选取．用以延长无 线传感节点使用寿命，降低网络的运行维护成本．提 ０ 的剩余能量也接近为 ０（簇头、高、低能量节点 个数急剧减少）．需要重 构分簇，重新选举簇头． 罢４０ ２０ 舡节点自举概率Ｐ（％） 高网络传输质量 参考文献： ［１】陈艳华．传感器在高速铁路中的应用研究［Ｊ１＿电子设计丁程， ２００９，１７（１０）：３４—３５． 【２］伍毅珊．南宁铁路局道ＶＩ安全防护装置及应用【Ｊ］．铁道运营技术， ２０１３（６）：４－６，１０． 【３】徐世武，王平．无线传感网络中的ＬＥＡＣＨ算法分析与设计【Ｊ】．单片 机与嵌入式系统应用，２０１ ｌ（６）：１－４． 保证数据无中断转发 仿真结果表明．采 用不等概方式选举簇头 节点后．高能量节点区 域自举为簇头的概率大 于低能量节点区域．如 图４、图５所示．而且每 轮循环后高能量节点和 低能量节点也会发生变 化，如图６、图７所示。 图５ １５００次轮询后各节点状态图 周期数（轮） ［４］徐世武，王平，施文灶，等．无线传感器网络分簇路由协议综述［Ｊ】．网 络新媒体技术，２０１３，２（５）：１－８． ［５］曹建玲，余俊，王路路，等．一种能量高效的无线传感器网络分簇路 由协议［Ｊ］．重庆邮电大学学报（自然科学版），２０１４，２６（２）：１５０—１５４． ［６】秦媛嫒 面向生物实验室安全应用的无线传感器网络路由协议的研 究［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１２，２３—２５． 【７］冯成旭，刘忠，罗亚松．分簇传感网络中最佳簇数的研究［ＪＪ．华中科 技大学学报（自然科学版），２０１３（１０）：４９—５３． 图６ １５００次轮询后节点存活状态 改进算法通过重构高低 能量分簇区域．在新的 高能量区域中选举新的 高能量簇头．使得整个 传感网络保持均衡能耗 分布：通过高能量簇头 转发信息延长传感网络 工作周期．使得通信不 图７ １５００次轮询后节点剩余能量 【８］叶润．Ｚｉｇｂｅｅ节点设计与能量均衡分簇调度算法的研究［Ｄ】．成都：电 子科技大学．２０１３．２４—２６． ［９］沙娓娓．基于能量优化的水下无线传感器网络的路由选择研究［Ｄ］ 昆明：昆明理工大学。２０１４．１ｌ一１２． ［１Ｏ］周毅．无线传感网络中混合纠错技术的研究［Ｄ］．郑州：郑州大学， ２０１４，７８—８３． 易中断，提高数据传输可靠性。 ［１１］刘金鑫．无线传感网络信任评估模型与方法研究【Ｄ］．北京：北京交 通大学．２０１５，８１—８８． ５结束语 分布式铁路光纤无线传感网可实现特殊环境下 ［１２］王悦．基于压缩感知的无线传感网络路由算法研究与实现［Ｄ］．南 京：南京邮电大学．２０１４：７０—７５． ［１３】徐跃州，张欣．基于ＬＥＡＣＨ协议的兄弟节点算法一ＬＥＡＣＨ—ＢＮ［Ｊ］． 通信技术，２０１４，４７（７）：７７０—７７４． 有线与无线传输的有效互补。由于无线节点设备所处 环境复杂，仅能通过电池供电，为确保该传感网络的 ⑩祀冠馏投恭２０１８年第５期
