一种适用于输电线路监测系统的WSN可靠路由协议

1、一种适用于输电线路监测系统的wsn可靠 路由协议何明，朱小雷，王成进(国网电科院安徽继远电网技术有限公司，合肥230088)摘要：在无线传感器网络屮当节点间距离大于某一固定阀值时，发送节点的能量消耗计算公 式将采川多径衰落模型从而浪费了人量的能耗，木文设计了一种适应于大规模长距离无线传 感器网络的路由协议，并定义了数据结构，给出了算法实现过程，该算法思想是：人规模长 距离的无线传感器网络中如何规避由于节点间距离大于阀值带來的额外能量损耗，通过与其 它协议的比较给出了该协议在能量损耗、剩余节点数、数据总量上的优势。 关键词：阀值；路由协议；能量损耗；数据总量 中图分类号：tp393a kind

2、of reliable wsn routing protocol on transmissionlines monitoring systemhe ming, zhu xiaolei, wang chenjing(state grid electric power research institute anhui jiyuan electric power system technologylimited company, hefei 230088)abstract: in this paper the structure of the search score learning algori

3、thm to learn a ges algorithm of bayesian networks equivalence class, after application d-separation tree big of baycsian network of decomposition for many small equivalent of the network, to such small network using independence testing method, the study of the little network together again, this ki

4、nd of method is very good combine the search score and independence test this kind of structure learning algorithm of advantages, can effective learning causal bayesian structure keywords: threshold; routing protocol; energy loss; total datao引言在平面大规模无线传感器网络屮其外围节点的连线可近似看成一个多边形，同时这种野 外部署的传感器节点能量是有限的,节

5、点后期维护闲难，对于较大规模无线传感器网络屮簇 的划分和簇头的选择对于延长生命周期显的尤为关键，特别是在下一轮簇划分和簇头选择小 如何发现某个出现故障或能量枯竭节点。文献1提出一个短路径路山算法在电网监测中的 应用算法，但当杆塔线路过长时最外囤节点将会很快死亡；文献2提出一种最小传输能最 协议，但是没冇考虑接收端电路消耗的能量，使得最后的计算结果理想化；文献3提出一 种线性节点布置方案，只考虑了全区域能量而忽略了局部能量；针对以上问题本文提出一个 树状无线传感网人e于距离信息的能量均衡ebdi协议(an energy balancing routing protocol based on di

6、stance information),该协议通过初始化测距后不断从中心位登将网络划分开，判 断每个簇中节点到簇头距离和阀值作对比来进行下一轮划分，最后均衡全局和区域能量产生 簇和簇头节点。1路山过程系统模型及约定条件：(1) 在输电线路监测网络中每个节点都是提前铺设好在线路上，所以每个传感器节点一作者简介：何明，(1956-),女，教授级高工，电力自动化，信息管理系统方向。e-mail: hcming旦被安置就可认为是固定节点。(2) 在一个传感器网络中每个节点有唯一的id标识，网络通信速度相同。(3) 每个传感器在全网屮的地位是相同的，传感器节点的分布是随机的，全网节点处于 一个平面的空间

7、中。节点的绝对位置定位对传感器有着很高的要求,如安装gps装置佝,髙密度同步定时 器，基于区域质心测距方法，本文川最小连通树协议实现无冲突广播从而探测相对节 点位置信息，其节点定位方法的特点是：全网不用统一时钟，拓扑结构长期有效，无需锚节 点，从而提高了算法实现的可行性。在每个冲突域中传感器网络屮每个节点按约定条件依次定义一个时间戳t后向周围广 播一个距离反馈数据包d,周围节点接收到來口该节点的距离反馈数据包后，附加上口己的 节点标识id后向全网广播该数据包，该节点收到附近所有具冇连通性节点的反馈数据包后 记录时间戳t.,过程如下。(1) 假设节点a在t时刻广播数据包d,在t1时刻接收到來口具

8、有节点b标识的反馈 数据包db,该数据包在节点b的缓冲队列时间为|_晟，计算节点a到b的距离sab = (t t la)*v/2 ；(2) 同理町以计算出节点a到节点c的距离sac,节点b到节点c的距离sbc。(3) 如图1所示节点b位于以a点为圆心以sab为半径的一个圆周上，节点c位于以a 为i员i心以sac为半径的圜周上，节点b位于以c为半径以sbc为半径的圆周上。(4) 三点距离信息通过构造以a点为圆心旋转一周确定，如果以节点c为基准则可以得出sabc与sabc等三角形，如果以节点b为基准可以得出sabc与sabc等多个三角形,引入节 点d确定位置信息，同理可以确定abc的三个节点的相对

9、具体位置，如图1所示。簇头选择过程分为两个阶段，阶段一为准备阶段各个节点牛成口己与其它节点的距离关 系矩阵与节点能量关系与网内节点总能量；阶段二为簇头选择阶段，此阶段根据阶段一的距 离矩阵计算出网内能星的平均节点能呈，节点剩余能量低丁此能量值的节点则排除出簇头选 择队列，再对进入选择队列的节点和对屮心位置节点选择为簇头，每一轮数据发送完毕后重 新选择簇头节点。第一阶段的建立过程主要存在两个问题，第一个问题是节点是否已经建立完距离矩阵， 木文川矩阵生成标识符matrix來记录矩阵是否已完成工作，当一个节点矩阵生成完毕后, 则将标识符matrix置1；第二个问题是为了防止数据通信信号冲突提高精度，

10、在一个时刻只 允许一个节点处于矩阵建立阶段，木文定义规则距离矩阵生成节点按照节点id从小到大的 顺序依次生成矩阵。如图3所示。图3第一阶段过程第二阶段的运行过程如图4所示，阶段二通过两轮循环选出簇头节点，第一是基于能量80 均值，在距离矩阵中川白相対应的位置保存现节点剩余能量，通过广播能量数据包后筛选出 能量剩余量大于总能量均值的节点进入下一轮簇头筛选，在第二轮筛选过程中是选出网络中 和对屮心位置作为簇头节点，这样可以最大限度的减少相对传输距离，rh数学原理可知在一 个多边形中，越靠近中心的点则该点到其他顶点的距离和越小，所以依次计算距离矩阵的列 和后比较对计算出相对屮心节点，最后作为簇头节点

11、。85图4第二阶段过程簇头节点的选择通过两轮循环第一轮是基于能量均值，节点通过广播能量数据包后筛选出能虽剩余虽人丁总能星均值的节点进入下一轮簇头筛选，在第二轮筛选过程中是选出90网络中相对中心位置作为簇头节点，这样可以最人限度的减少能量消耗，证明如下所示。(1) 设区域内有n+1个节点，簇头节点的坐标为(x,y),其余节点的坐标为(xi,yi),(x2,y2), (xn,yn)o贝9根据由能量公式可计算出各个节点向簇头节点发送k bit数据时，消耗的总能量为 z = nkel/lc +* 5wm( x xi)2 + (y yi)2 j，其屮 i=0,l,2.n。为求z的最小值，对x和y求偏导。

12、95(2) zx = = 2sum(x xi) = 0 , z> = 2sum( y yi) = 0 ,其中 i=0,l,2.n；d xdy町得 尤二 "+儿, y = |)+)“，即点(x,y)为中心节点。下面证明该中心nn点为最小值，根据二元函数的极值定理，冇a = zxv = n , b = zxy = 0, c = zyy=n ,ac b2 = /12>0(n 0) h. a = /i > 0 ,于是可得点7+兀2 +和；】+)，2 +戶)为nn总能耗z的最小值点。2路由算法描述2.1初始化阶段若干传感器节点被随机分布在一个平面空间中，在距离矩阵建立期间，假

13、定传输速度常 量定义为v,每个传感器节点需耍保存口己编号的myid(myid为整数，从()开始依次编号), clusterld是当前节点所在簇单元编号，在选择簇头后区分其它簇单元，其中数组distancen 格式为energy, sab, sac, sad,，san, s0用丁存放节点剩余能呈，其后川于 存放与其他节点的距离，布尔型matrix只有()或1两种情况用于判断是否己完成距离矩阵 生成完毕，布尔型sleep用于判断该节点是否进入睡眠状态，clusterld号用于判断是否是与 本簇内节点通信，节点信息数据结构实现如下。struct nodeinfoint n;intclusterld,

14、 node；intnodcidn;double distancefn;doubletotaldistancc；boolmatrix,sleep;；(1) 各个节点完成初始化，赋值 node=myid, nodeidnode=myid, distance 0=energy, matrix=0, n=0；(2) 广播id并接收收到的节点id,每个节点收到一个广播id数据包做n二n+1操作， h至广播结束厉，将n值赋予数组nodeidn与distancefn；(3) 各个节点根据matrix是否为()判断距离矩阵的牛成情况，若为1则进入待激活状态 休眠sleep=l,否则转至步骤4；(4) 齐个节点

15、查找自c的结构数组屮的nodeidn所冇编号，nodeid0值是否为最小， 进入待激活状态休眠sleep=l,否则转至步骤5；(5) 广播距离探测数据包，各节点收到探测数据包后，将此时传感器时钟时间赋予 buffertime；根据探测数据包屮的nodeld查询节点信息数据结构中的distancen是否存在 与探测节点数据记录，若有则转至步骤7,否则转至步骤6；发送距离探测数据包时，初始化nodeid0=myid, buffertime=0, time=t(t为当前节点时 钟时间)，distancc=0，其数据结构定义如下：struct discoverint nodcid2；double bu

16、ffertime;double time;double distance；(6) 将本节点id赋予nodeidll，赋值buffertime=当前节点时钟时间减去buffertime, 广播此探测数据包；(7) 将与此节点的距离信息赋予distance后广播；(8) 数据包返回后,查看distance是否为0,若不为0则,赋值timc=当前节点时钟时间 -time,计算距离信息 distanccnodcid 1 = (time- buffertime) *v/2；在一个时钟周期内,依次判断distancen是否全不为0后，n-, matrix=0,lj断n是否为0,若是转至步骤10, 否则转至

17、步骤9；(9) 该节点广播状态激活数据包，接受到状态激活数据包后,sleep置0,将nodeldnodeld 置无穷大，表示上一轮参与过节点距离矩阵构造完毕，转至步骤3；数据包初始化nodeid=myid,该数据包数据结构如下所示：struct activateint nodeld;；(10) 距离矩阵生成完毕，进入簇头选择阶段。2.2簇的划分阶段簇的划分阶段用到的函数。(1) apit测试函数：approximate_pit()»该函数用于判断一个节点位于多边形内部还是 外部，函数返回值为1表示在内，()表示在外。(2) 阀值do d()测试函数：threshold_test(),

18、ffl于测试当前节点到簇头节点的距离是否大 于阀值，返回值为1表示小于，0表示大于。簇的划分过程如下。(1) 每个节点将距离矩阵列和加后赋值于totaldistance后广播，其它节点接收到信息后 依次比较，若当前节点距离不为最小则转至步骤3,否则转至步骤2；(2) 该节点与其它两个距离和最大的节点连接将区域划分为两个新的多边形，发送激活 检测入簇数据包，转至步骤3；(3) 进入等待入簇检测队列，等待检测激活数据包，转至步骤4； 各节点调用approximate pit()测试函数分类入簇后转至步骤5；(5) 分簇完毕后齐节点调用threshold test(),若完毕则转至步骤6,否则步骤2

19、；(6) 簇划分完毕。2.3簇头生成阶段簇头选择过程都是发生在簇划分阶段结束后，即簇头的选择是针对当前簇中节点进行的 以每个节点的clusterld区分，因每个节点都有成为簇头节点的可能，因此在每个节点中簇 头节点中都保存如下数据结构，簇头选择数据结构如下。struct clusterheadselectstruct nodeinfo node；double averageenergy；bool head；;变量averagedistance初始化过程如b ：for(i=0;i<n;i+)if(i!=nodc)totaldistance = totaldistance +distance

20、i；簇头节点生成过程如下：(1) 每个节点簇头选择数据包广播，单个节点收到数据包后将n个distance0求和后取 算术平均值，赋值于每个节点簇头数据结构屮averageenergy后转至步骤2；(2) 各个节点比较distance0是否小于averageenergy,若是则head置0转至步骤4, 否则head置1转至步骤3；(3) 每个节点将依次比较totaldistance,如果记录最小totaldistance中的节点id信息 若和白己相同则head置1转至步骤5,否则head置0转至步骤4；(4) 该节点在这一轮筛选中为普通节点；(5) 广播数据包显示自己为簇头信息，与周围节点建立连

21、接，至此簇头选择过程完成， 进入数据传输阶段。3实验仿真3.1 ebdi算法对监测节点的划分采用三相线路连接的输电线路其传感器节点布置如图5所示，传感器节点按照各自不同 的功能均匀的布置在输电线路上。在研究论文之前，我们对输电线路上节点假设如下：(1) 输电线路呈三线直线连接，不考虑弯illi和舞动悄况且节点等距离如置。(2) 各传感器节点功能和位置可看似等价，初始能量相同，节点间地位与节点釆集数据 的速度近似相同。(3) 本文所研究的输电线路主干数据传输通道是通过光纤交换机发送出去的，现行杆塔 山于工艺技术限制侮5公里放置一个光纤交换机，可将无线传感器的线性长度定义为2.5公 里左右，故可将

22、此网络视为大规模无线传感器网络。(4)传感器节点间距离用字母d表示，多径衰落模型距离阀値用字母do农示。图5输电线路传感器节点布置ebdi算法的核心思想是避免出现节点间断离人于多径衰落模型距离阀值do的情况出 现，通过对输电线路上节点不断的重复簇划分和簇头选择过程，输电线路中的无线传感器网 络最终划分如图6所示。3.2实验仿真仿真平台：普通pc机一台，window7操作系统，ns2, gnuplot.木仿真与同样采用自山空间模型和多径衰减模型的leach算法对比，mac层釆用802.11协议。实验中定义当节点损坏或能量枯竭时为节点死亡，并用文件保存节点死亡信息, 每个时间点能量信息，数据总屋信

23、息，各参数定义参见表lo表1仿真参数说明表参数参数值备注半面区域大小200m*200m数据包大小200bytcs其中报头部分20bytes无线电能量消耗eelec=50nj/bit参照公式41 fs10pj / bit / m2参照公式41 nip0.0013pj / bit / m2参照公式4.1do87m参照公式4.3传感器节点个数n200个单个节点能量初始能量4j仿真时间3600s带宽1mbps网络平均延时25us将ebdi协议与leach协议在运行700秒后200个节点剩余节点的存活情况作对比, 如图7所示：图7剩余节点示意图二上二1一二ebdi协议在节点的存活时间上相对于leach冇

24、着明显的优势，分别取节点剩余白分比做参考依据如农2所示。表4-2效率对比农1%5%10%40%90%ebdi335365390510620leach240290320390540效率提离39.5%25.8%22.6%30.8%14.8%如图8所示，在运行前期ebdi协议相对于leach协议总能量消耗偏大，原因在于ebdi235协议运行前会有较大量节点信息交换与距离测算等初始化工作，一旦工作完成后进入稳定工作期时，ebdi协议相对于leach协议会大大减少总能量消耗，实验仿真屮会出现大面积 节点间通信距离大于阀值的情况，所以该协议的优势明显。0100200300400500600700run图8

25、节点总能量消耗(>!<羽号 132240如图9所示，和对于leach协议，在运行时间段内ebdi协议能保证有效节点数，因 为研究是固定位置节点情况，所以初始化完成后每个节点基木上都保存了其他节点的距离信 息，节约能量并提高了有效节点数从而有效的保持了总数据包的数星。40000320002800034000200001600012000100200300400500run time (s>6007004000056000245图9数据总量信息对比木次仿真实验结果中总能量消耗和数据总量以leach算法终止时即540s时刻采集数 据后总结如表3所示：农3仿真结果总结1%5%10%4

26、0%90%ebdi335365390510620leach240290320390540效率捉高39.5%25.8%22.6%30.8%14.8%4小结本文设计的ebdi路由协议以计算量为代价使得在簇划分和簇头选择过程屮通信量的 减少，以二维空间中多边形相对中心节点为依据选择总体最短路径簇头，规避了通信距离增 加带来的额外能耗从而均衡和节约了总能量，适合较大规模无线传感器网络。节点布置初始 化完毕后每个节点只需要广播一次数据包就能完成簇头的选择，在节点间数据传输过程中通 过极小的通信代价使川了海明码校验进行可靠性传输。仿真结果表明由于综合考虑了口由通 道模式和多径衰落模式中的阀值do的影响，在

27、大规模无线传感器网络中受该值的影响尤为 明显几乎呈数量级上升，在与leach协议对比后在总节点存活时间能量消耗与数据总量上 血都有着较人优势，所以该路由协议适合在长距离树状无线传感器网络如输电线路在线监测 网中使用。参考文献(references)1郑更生，贺贵明，谢治平.基于电网监测的无线传感器网络短路径路由算法j.武汉人学学报， 2007,40(2):121-124.2j heinzelmanwr,chandrakasana,balakrishnan h energy-efficientcommunication protocol for wireless microsensor netw

28、orks c in prochawaiian intcmational conference on systems science, 2000:1-10.3 侯惠峰，刘湘雯，于宏毅等.-种基于地理位置信息的无线传感器网最小能耗路由算法j.电子与信 息学报,2007, 29(1):177-181.4 xuewen he ,yong xiao ,yanmeng wang,a lssvr three-dimensional wsn nodes location algorithm based on rssi|c. electrical and control engineering (icece), 2011 international conference on.2011,9:1889 - 1895 5j mahawaththa, m.d.w.s., goonetillake, m.d.j.s.location aware queries for sensor networkcj. advances in ict for emerging regions (icter), 2011 international conference on .2011:2&6