文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)06-0107-03
0 引言
無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常強(qiáng)大的功能,,其中主要涉及到各種能力的視頻傳感器節(jié)點(diǎn),。然而節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力與能量資源相對(duì)有限,在非常不利的條件下,,電池?zé)o法重新進(jìn)行充電,。怎樣充分發(fā)揮出節(jié)點(diǎn)能量,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間是開發(fā)通信協(xié)議工作的重點(diǎn)[1],。
LEACH[2]是業(yè)界最為常用的一個(gè)以分簇為基礎(chǔ)的協(xié)議,,但其存在不足。例如,,確定簇首的過程中,,并未分析節(jié)點(diǎn)剩余能量,同時(shí)各節(jié)點(diǎn)確定成簇首的可能性大約一樣,,因此當(dāng)確定能量少的節(jié)點(diǎn)是簇首時(shí),,其非常易于在很短的時(shí)間內(nèi)就死亡[3]。
在解決LEACH協(xié)議的弊端方面,,業(yè)界一些專家展開細(xì)致的探討,,闡明了一系列的優(yōu)化協(xié)議:文獻(xiàn)[4]在研究過程中闡明DEEC,文獻(xiàn)[5]在研究過程中闡明了充分考慮剩余能量和節(jié)點(diǎn)位置的協(xié)議,。上述各種協(xié)議仍然具有一定的不足,,它們的性能在今后仍然需要不斷提升。
本文提出了一種新的優(yōu)化協(xié)議MSOWVRP(Multi-angle Sensor Networks of Wireless Video Route Protocol),。該協(xié)議在分析LEACH的基本機(jī)理上,,充分考慮節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域相關(guān)性,對(duì)其實(shí)施優(yōu)化處理,。通過仿真可以發(fā)現(xiàn),,與LEACH協(xié)議相比,,優(yōu)化的MSOWVRP協(xié)議具有較好的優(yōu)勢(shì),其能夠充分保證網(wǎng)絡(luò)能耗處于一種均衡的狀態(tài)之中,,同時(shí)能夠在很大程度上提高其壽命,。
1 無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及模型
1.1 結(jié)構(gòu)
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,,各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布,。為充分保證其一般性,需要進(jìn)行下面幾種假設(shè):
(1)各節(jié)點(diǎn)都存在自己的單個(gè)ID,,均增添攝像頭,,其所處地點(diǎn)保持穩(wěn)定,不會(huì)變化,,有相等的有限的能量,,都座落在同個(gè)平面之中;
(2)經(jīng)由選取來形成簇首,,相對(duì)來說,,它的級(jí)別高于一般的節(jié)點(diǎn),能夠和Sink節(jié)點(diǎn)相互交互數(shù)據(jù)信息,。
(3)Sink節(jié)點(diǎn)主要處在監(jiān)測(cè)區(qū)上部位置,,計(jì)算能力與能量沒有任何限制;
(4)利用隨機(jī)函數(shù)來對(duì)感知方向進(jìn)行確定,。
無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。
1.2 能耗模型
MSOWVRP算法中,求解能耗主要通過相應(yīng)的模式來進(jìn)行,,在這里,,發(fā)送k bit信息所需要能量可以通過下式進(jìn)行描述:
1.3 感知模型
節(jié)點(diǎn)的感知范圍是扇形區(qū)域,其圓心是節(jié)點(diǎn),、半徑是感知距離,,感知模型圖見圖2。其中p(x,,y)是有向傳感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo),,R是傳感半徑,V是指節(jié)點(diǎn)在t時(shí)的傳感方向,,2α指?jìng)鞲袇^(qū)域視角,,α是指V的傳感夾角。
2 MSOWVRP協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1 簇首的選取
首先把無線視頻監(jiān)測(cè)區(qū)域細(xì)化為若干扇形,,在此基礎(chǔ)上,,做好相應(yīng)的標(biāo)記,接著把節(jié)點(diǎn)ID和它的扇形對(duì)應(yīng),,這樣就形成了弧形方塊(其圓心是基站),,各弧形方塊是1個(gè)簇,,簇首具有最高的能耗,這是由于它會(huì)處理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息,,同時(shí)還會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)臨近簇?cái)?shù)據(jù),。MSOWVRP協(xié)議在確定簇首過程中,充分分析節(jié)點(diǎn)剩余能量及與Sink節(jié)點(diǎn)距離兩個(gè)方面的內(nèi)容,。
詳細(xì)過程為:先求解剩余能量,,如果該數(shù)值比所有節(jié)點(diǎn)的平均值小,則不具備成為簇首的條件,,否則,,求解兩者的距離;如果這一個(gè)數(shù)值比別的節(jié)點(diǎn)的距離大,,在這種情況下,,其將不會(huì)成為簇首,這樣就使得能量相對(duì)偏高的節(jié)點(diǎn)最有可能成為簇首,,從而在很大程度上減小了能量相對(duì)偏小的節(jié)點(diǎn)被確定成簇首的可能性,,最終使得節(jié)點(diǎn)能耗變得愈發(fā)均衡,在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)壽命,。
2.2 簇的形成
各簇之中均包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一組,,里面的任何2個(gè)節(jié)點(diǎn)相互之間的間距都比提前規(guī)定的參數(shù)值小。引入分簇算法主要是為了建成囊括所有節(jié)點(diǎn)的,、有效支持路由協(xié)議與資源管理的彼此相連的簇的集合,。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),如果沒有實(shí)施必要的篩選而將其傳輸?shù)酱仡^,,這樣就會(huì)使得在簇頭節(jié)點(diǎn)匯集過程產(chǎn)生十分嚴(yán)重的偏差,,所以該種方法應(yīng)當(dāng)按照具體需求進(jìn)行。在這里,,按照能耗模型能夠看出,,信息輸送過程中的能耗與其距離呈現(xiàn)正相關(guān)性,所以考慮到降低能耗,,經(jīng)由對(duì)比節(jié)點(diǎn)和每一簇首之間的遠(yuǎn)近,,確定較近的為簇內(nèi)分子。詳細(xì)狀況見圖3,。
2.3 基于虛擬勢(shì)場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)感知方向調(diào)整
此處,,以隨機(jī)方式產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)位置,將使傳感器節(jié)點(diǎn)在所有監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)非常不一致,,或許其中某些區(qū)域無法涉及到,,詳細(xì)狀況見圖4。
具體應(yīng)用過程中,,鑒于網(wǎng)絡(luò)部署成本,,不可能所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有移動(dòng)能力,,其節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)極易造成傳感器節(jié)點(diǎn)失效,并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖?,均?huì)提高網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本,。為此,基于傳感器節(jié)點(diǎn)位置不變,、傳感方向可調(diào)的假設(shè),,主要通過虛擬勢(shì)場(chǎng)的原理來提高其覆蓋范圍。具體來說,,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)變換全部節(jié)點(diǎn)的感知方向,,利用這一種方式使覆蓋范圍最大限度地增加。適當(dāng)調(diào)整后的結(jié)果可以通過圖5描述,。
2.4 簇內(nèi)通信
簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信時(shí),首先需要求解簇首與基站兩者之間的遠(yuǎn)近和最高距離的比值,,可以通過下式進(jìn)行求解:
2.5 簇間通信
該環(huán)節(jié)與LEACH算法類似,,簇間通信方式如圖6所示。簇首順著鏈路傳輸融合數(shù)據(jù),,把它傳輸至基站,,先融合上一級(jí)節(jié)點(diǎn),在此基礎(chǔ)上,,接著把它傳輸至后續(xù)的節(jié)點(diǎn),。
3 仿真實(shí)驗(yàn)
3.1 仿真環(huán)境及場(chǎng)景設(shè)置
為對(duì)MSOWVRP協(xié)議的總體性能進(jìn)行測(cè)試,在P4雙核 2.85 GHz CPU 4G RAM,、Windows XP,、MATLAB 2012下實(shí)施相應(yīng)的仿真操作,同時(shí)通過LEACH及DEEC協(xié)議實(shí)施相應(yīng)的比對(duì)實(shí)驗(yàn),,并從網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等角度實(shí)施性能分析,。實(shí)驗(yàn)條件為:在某100 m×100 m的范圍中,隨機(jī)存在著節(jié)點(diǎn)100個(gè),。這個(gè)過程中涉及到的仿真參數(shù)見表1,。
3.2 結(jié)果與分析
3.2.1 生存時(shí)間分析
相同初始狀態(tài)下,LEACH,、DEEC,、MSOWVRP協(xié)議的生存時(shí)間具有不同的表現(xiàn),圖7為不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比,。通過與前面的兩個(gè)協(xié)議比較看出,,MSOWVRP協(xié)議的性能大幅提高,這是因?yàn)檫@一個(gè)協(xié)議是在確定簇首的過程中通過最優(yōu)原則進(jìn)行,,在很大程度上減小了能量剩余偏小者當(dāng)選的可能性,,使得偏高者當(dāng)選的可能性提高,,同時(shí)利用優(yōu)化簇間、簇內(nèi)通信模式,,明顯減小了節(jié)點(diǎn)能耗,,使網(wǎng)絡(luò)能耗更均勻,延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間,。
通常情況下,,80%節(jié)點(diǎn)死亡時(shí),網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得無效,,表2給出了上述3種協(xié)議在10%,、50%、80% 3種狀況下的存活輪數(shù),。通過表2可以看出,,本文提出的優(yōu)化協(xié)議能夠充分保證剩余能量相對(duì)偏高者當(dāng)選,將能量負(fù)載平均分配至各節(jié)點(diǎn),,從而將負(fù)載減小,。
3.2.2 覆蓋率分析
相同初始狀態(tài)時(shí),3種協(xié)議的覆蓋率具有不同表現(xiàn),,圖8為不同協(xié)議的監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋率對(duì)比圖,。與前面的兩個(gè)協(xié)議比較,MSOWVRP協(xié)議的覆蓋率明顯改善,,這是因?yàn)檫@一協(xié)議主要是通過虛擬勢(shì)場(chǎng)原理科學(xué)合理地變換感知方向,,從而使其覆蓋范圍有所提高。
3.2.3 網(wǎng)絡(luò)能耗比較
三種協(xié)議的節(jié)點(diǎn)剩余能量方差分布具有不同的表現(xiàn),,圖9為能耗變化曲線,。與前面的兩個(gè)協(xié)議比較,MSOWVRP協(xié)議的剩余能量尤為均衡,,這是由于前面的兩者不存在確定簇首以及通信的時(shí)候未分析各節(jié)點(diǎn)的能量均衡,,運(yùn)行時(shí)節(jié)點(diǎn)的分化明顯,節(jié)點(diǎn)間能耗存在非常大的差異,,因此,,當(dāng)剩余能量偏小者當(dāng)選時(shí),節(jié)點(diǎn)將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)死亡,,在很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)壽命,。但是MSOWVRP協(xié)議分析了能量差異,有效確保了不同節(jié)點(diǎn)的能耗均衡,,使其利用率不斷提升,。
4 結(jié)束語
為了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間,提高節(jié)點(diǎn)能量利用率,,本文提出了MSOWVRP協(xié)議,,并通過與當(dāng)前經(jīng)典的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,。仿真結(jié)果表明,MSOWVRP協(xié)議不僅可以延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間,,而且增大了監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率,,具有廣泛的應(yīng)用前景。
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