一种多媒体传感器网络低能耗分簇协议
摘 要：多媒体传感器网络面临的主要挑战是在能量受限的情况下传输大量数据。在经典分簇协议LEACH的基础上，提出一种考虑数据量的多媒体传感器网络低能耗分簇协议。在簇头选举阶段，选择剩余能量多和数据量大的节点作为簇头；在成簇阶段，同时考虑节点到簇头的通信距离和节点的数据量让节点加入簇。仿真结果表明，提出的协议能有效提高网络的生命周期。
关键词：多媒体传感器网络； 分簇； 低能耗； 网络生命周期
中图分类号：TN919-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0001-03
Low Energy Consumption Clustering Protocol for Multimedia Sensor Networks
CHEN Dong-lian1, LUO Xiao-shu1, CHEN Hong-bin2
(1. College of Electronic Engineering, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China;
2. School of Information & Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)
Abstract： The main challenge in multimedia sensor networks is the transmission of a large amount of data under the condition of the energy constraint. Based on the classical LEACH protocol, a low energy consumption clustering protocol of multimedia sensor networks is proposed in consideration of data quantity. In the cluster head election stage, the nodes that have more residual energy and more data are selected as cluster heads. In the cluster formation stage, each node joins a cluster depending on the communication distance between it and the corresponding cluster head as well as the data it holds. The simulation results show that this method can effectively prolong network lifetime.
Keywords： multimedia sensor network; clustering protocol; low energy consumption; network lifetime
0 引 言
随着通信技术、嵌入式芯片技术、传感器技术、微电子技术的飞速发展和日益成熟以及多媒体信息获取和处理的迫切需求，无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Network，WMSN)被提出来并引起研究人员的密切关注［1］。与其他传感器网络不同的是，多媒体传感器网络侧重于音频、视频、图像等大数据量媒体信息的采集与处理。已有结果表明，传感器网络的能耗跟传输的数据量成正比，因此多媒体传感器网络传输信息时节点能量消耗较快。为了延长网络生命周期，在设计多媒体传感器网络时要充分考虑数据量大的特点。另外，研究人员还发现将传感器网络分簇能够节省网络总能耗［2-3］。综上所述，设计一种考虑数据量的节能分簇协议，对多媒体传感器网络来说具有十分重要的意义。
目前关于多媒体传感器网络的研究主要在路由［4］和分布式信息处理两个方面，而分簇方面的研究结果相对较少。文献［5］中提出了一种基于两跳簇结构的图像传输方案。该方案在LEACH协议的基础上，把相机节点独立出来，增加中继节点负责图像的压缩编码和转发，大大缓解了相机节点和簇头的图像处理能耗压力。它的不足之处是在成簇的过程中没有考虑普通节点信息传输时数据量大的特点，以至于普通节点过快死亡。
文献［2-3］中提出的LEACH协议是传感器网络的经典分簇协议，它的主要思想是把网络的工作过程分成若干轮，在每一轮中网络被分成若干个簇，簇成员节点向簇头发送信息，信息经簇头处理后再发送给基站。簇头的选举规则是每个节点产生一个0~1之间的随机数，当该随机数小于一个门限值时，该节点被选为簇头。门限值T(n)的计算公式为：
T(n)=p1－p(r mod p),n∈G
0,nG
(1)
式中:p是一个随机的概率值，实验证明p取0.05时网络的寿命最长;r是轮数。选好簇头以后，非簇头节点根据通信代价最小规则选择加入某个簇。
LEACH协议存在一些固有的局限性，如部分节点会因为能量消耗过快而过早死亡。为此，很多人在它的基础上提出改进的分簇协议。例如，M.J.Handy等提出的簇头选举算法［6］综合考虑了簇头的地理位置分布以及网络的整体能量水平，引入了新的门限T(n)=p1－p(r mod p)En_currentEn_initialize+rsdiv1p1－En_currentEn_initialize，这样进行簇头选举后能够延长网络生命周期。M.Ye等提出的EECS［7］考虑了通信距离引起能耗大的问题，在节点加入簇时引入一个代价函数cost(j,i)=w×f(d(Pj,CHi))+(1－w)×g(d(CHi,BS))。这个代价函数包含了节点到簇头的距离及簇头到基站的距离等因素。引入这个代价函数后也能够延长网络生命周期。
以上这些协议或算法在节省网络总能耗，提高网络生命周期方面都很有效，但较少考虑数据量。在多媒体传感器网络中，数据量非常大，而网络的能耗又与数据量成正比。通过实验分析得出这样的结论：当数据量增加1倍时，网络的死亡速度快3倍以上。因此，提出一种考虑数据量的WMSN低能耗分簇协议。仿真结果表明，该协议能使网络生命周期相比LEACH协议的提高50%以上。
1 能耗模型
随着传感器网络的持续工作，很多节点会因为能量耗尽而死亡。网络生命周期是刻画这个过程的一个重要指标。网络生命周期的定义有很多种，通常将它定义为从网络开始工作到第一个节点死亡的时间［8］。
要知道网络生命周期，就要选用某种能耗模型计算每个节点的能耗。这里采用的能耗模型与文献［2］中的一样，某个节点发送k b的信息到和它距离为d的另一个节点所消耗的能量为:
式中:Eelec是发送或接收信息时的电路能耗;Efs和Eamp是电路功放的能耗。而节点接收k b信息消耗的能量为:
此外，簇头节点需要进行信息融合及处理，其消耗的能量用EDA表示。
2 考虑数据量的WMSN低能耗分簇协议
该协议主要考虑多媒体传感器网络节点的剩余能量、数据量和地理位置,选择簇头和让非簇头节点加入簇。
2.1 簇头选举阶段
由于WMSN的数据量比一般的传感器网络大得多，因此在选举簇头时，希望数据量大的节点成为簇头，这样就能避免大量数据在簇内传输而消耗过多的能量。网络生命周期的延长不是靠降低某个节点的能耗，而是平衡各个节点的能耗。为此将门限值T(n)修改为:
T(n)=p1－p(r mod p)Dn_currentDmax•En_currentEmax
(4)
式中:Dn_current和En_current分别是当前节点的数据量和剩余能量;Dmax和Emax分别是整个网络中数据量最大的节点的数据量和剩余能量最多的节点的能量。
节点产生一个0~1之间的随机数，若它小于T(n)，则该节点被选为簇头。簇头向其他节点发送广播信息，等待成员节点的加入，然后收集各个簇成员的信息，进行数据融合之后把信息发送到基站，再由基站通过万维网或卫星发送到控制中心。
2.2 成簇阶段
非簇头节点根据通信代价最小规则选择加入某个簇。这里引入通信代价函数:
式中:Dc_current是簇头的数据量;d是节点n到簇头的距离。在选择加入某个簇头所在簇时，希望加入的簇的簇头数据量比较少，这样簇头的通信负荷不会很大，也便于其进行信息融合。
节点遍历已经选举出来的簇头，若对应的通信代价函数cost(n)值最小，则加入该簇头所在的簇。
3 仿真结果及分析
在Matlab环境下对提出的协议进行仿真。具体采用与文献［2］中相同的能量消耗模型，将能量参数分别设置为Eelec=50 nJ/b，Efs=10 pJ/b/m2，Eamp=0.001 3 pJ/b/m4，EDA=5 nJ/b。节点随机分布在100 m×100 m的观测区域，基站的位置在(50，150)。节点数目为100个，每个节点的初始能量均为1 J。随机产生长度位于4 000~10 000 b之间的数据包，控制包长度是50 b。簇头收到的信息融合后压缩到只剩80%。
经过100轮运行后，各节点的剩余能量如图1所示。从图1可知，该协议对应各个节点的剩余能量相对均衡，而LEACH协议对应出现了好几个能量特别低的节点。但是，该协议对应的节点剩余能量并没有明显比LEACH的多，这是因为运行轮数比较少，该协议的优势没有显现出来。
为了更好地显示该协议的优势，对提出协议与LEACH协议及EECS协议进行了比较。如果网络中剩余节点过少，那么整个网络就不能正常工作，因此仿真只运行到剩余节点大于50个时就结束了。图2所示的仿真结果表明，考虑了节点数据量后，整个网络的生命周期相对于LEACH提高了60%。图2中，LEACH对应的生命周期是179轮，EECS对应的是272轮，提出协议对应的是468轮。提出协议的另外一个优点是对应的生命周期曲线斜率明显比LEACH的大，缩短了首末节点死亡时间间隔，使节点死亡时间更加集中［9］。EECS由于考虑了通信距离，对应的网络生命周期及其曲线斜率都比LEACH的大。但在多媒体传感器网络中，网络数据量大，EECS的优势并没有体现出来，整体性能还是比提出的协议差。
图1 100轮后的各节点剩余能量
图2 网络生命周期对比
4 结 语
在LEACH协议的基础上，在考虑数据量以及节点能耗的均衡时，提出了一种多媒体传感器网络低能耗分簇协议。仿真结果表明，该协议有效地延长了网络的生命周期。
参 考 文 献
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作者简介： 陈冬连 女，1985年出生，广西梧州人，硕士生。主要研究方向为传感器网络。
罗晓曙 男，1961年出生，教授。主要研究方向为电气自动化控制。
陈宏滨 男，1981年出生，博士，副教授。主要研究方向为传感器网络和认知无线电。
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