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一種改進(jìn)型PEGASIS 算法在水聲通信組網(wǎng)中的應(yīng)用

2022-10-19 10:43王文琮石建飛張學(xué)磊田甜
艦船科學(xué)技術(shù) 2022年17期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>改進(jìn)型水聲

王文琮,石建飛,張學(xué)磊,田甜

(中國電子科技集團公司第三研究所,北京 100015)

0 引 言

隨著近年來人類對海洋的深入探索,水聲領(lǐng)域也得到了飛速發(fā)展,水聲通信作為水聲學(xué)研究的重點課題之一,也越來越受到關(guān)注。以往水聲通信領(lǐng)域主要關(guān)注的是調(diào)制方式和編碼方式,但是隨著越來越多的水聲傳感器設(shè)備的投放,設(shè)備間的組網(wǎng)也成為了重要的研究方向。

特別是近十年來,水聲組網(wǎng)的技術(shù)呈現(xiàn)了很多新的趨勢,尤其是在多設(shè)備融合方面,水聲通信結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)中的成熟算法,產(chǎn)生出很多基于WSN 的水聲通信組網(wǎng)方式。

WSN 是一種把傳感器節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi),起到監(jiān)控區(qū)域目的的無線組網(wǎng)方式。WSN 內(nèi)部一般根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向分為節(jié)點,匯聚節(jié)點(又稱為簇頭)以及客戶端,節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù),匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)匯總各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)融合,發(fā)送給客戶端,這種數(shù)據(jù)傳輸過程也稱為分簇過程,分簇示意如圖1 所示。

圖1 分簇路由示意圖Fig.1 Schematic diagram of cluster routing

將WSN 結(jié)合到水聲通信領(lǐng)域,當(dāng)需要監(jiān)測一片水域的聲場情況的時候,通常需要將多個水聲換能器布防在此海域,換能器之間通過多跳路由的方式將信息匯總到匯聚節(jié)點,以供研究使用。但是在傳統(tǒng)的多跳路由組網(wǎng)過程中需考慮以下2 個問題:1)當(dāng)數(shù)據(jù)從最遠(yuǎn)節(jié)點傳遞至匯聚節(jié)點的時候,存在一定的延時,中間節(jié)點個數(shù)越多,延時時間越長,匯聚節(jié)點收到信息不實時;2)單個節(jié)點所攜帶電量有限,且主要消耗電量的是發(fā)射換能器,發(fā)射換能器工作次數(shù)應(yīng)越少越好。這些問題對新型的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了要求。

1 經(jīng)典拓?fù)浣M網(wǎng)協(xié)議

1.1 LEACH 協(xié)議

LEACH 是首個分簇路由協(xié)議,其執(zhí)行過程主要分為 2 個階段,簇建立階段以及數(shù)據(jù)傳輸階段,一個完整的簇包含一個簇頭和多個簇節(jié)點,簇建立階段主要進(jìn)行了簇頭的選擇以及形成一個完整簇結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)傳輸階段主要由簇頭接收簇節(jié)點發(fā)來的信息,簇頭對信息進(jìn)行融合然后再將信息發(fā)送至客戶端。由于簇頭既要融合數(shù)據(jù),還需要將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,所以簇頭的功耗最大,因此簇頭的選擇是 LEACH 協(xié)議的重點。LEACH 協(xié)議為了解決功耗問題,采用了隨機閾值算法,即隨機的根據(jù)節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)值與閾值相比較,當(dāng)大于閾值時,此節(jié)點成為簇頭,成為簇頭的節(jié)點在之后的幾次傳輸過程中成為簇頭的概率會很低,整個網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點消耗能量較為均衡,不會出現(xiàn)簇頭頻繁死亡的情況,但是LEACH 由于本身的機制,會出現(xiàn)2 個問題:1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較大時,成為簇頭的節(jié)點有可能頻繁成為簇頭;2)由于簇頭的頻繁更換,所以每次簇頭需要通知到簇中子節(jié)點所在的簇,建簇過程功耗較大。

利用 Matlab 軟件在 100×100 的區(qū)域內(nèi)隨機產(chǎn)生 12個節(jié)點,中心位置為客戶端位置,將節(jié)點劃分為4 部分,每個部分都有 1 個匯聚節(jié)點和 2 個子節(jié)點,按照LEACH 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 LEACH 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 LEACH network topology diagram

1.2 PEGASIS 協(xié)議

PEGASIS 作為分簇路由的重要組成部分,同樣分為2 個過程:建鏈過程和穩(wěn)定過程。建鏈過程中,各簇節(jié)點向簇頭發(fā)送信號,接收簇頭反饋的確認(rèn)信號,根據(jù)通信指令判斷簇頭與各個簇節(jié)點的距離,找出與簇頭最遠(yuǎn)距離的簇節(jié)點,然后節(jié)點向其他簇節(jié)點發(fā)送信號,根據(jù)反饋信號確定與距離最近的簇節(jié)點,節(jié)點遍歷此過程,最終建立簇鏈;穩(wěn)定過程即數(shù)據(jù)傳輸融合過程,簇鏈中按照距離簇頭由遠(yuǎn)到近以此將信息傳遞至下一個簇節(jié)點,直到所有信息匯聚到簇頭為止。PEGASIS 采用的是典型的貪心算法,即只匹配此簇鏈中的最優(yōu)解,但是對于多設(shè)備組網(wǎng)會出現(xiàn)如下問題:1)由于形成鏈過程隨機,當(dāng)鏈過長時,單個鏈功耗會很大,且時延較長,無法提高網(wǎng)絡(luò)消耗的均衡性;2)網(wǎng)絡(luò)中簇鏈之間由于節(jié)點數(shù)不一致,會導(dǎo)致客戶端融合數(shù)據(jù)發(fā)生困難;3)局部均衡并不意味著整體均衡,有時不能滿足最優(yōu)解。

按照PEGASIS 協(xié)議產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 PEGASIS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 PEGASIS network topology diagram

2 改進(jìn)型PEGASIS 算法在水聲通信組網(wǎng)中運用

根據(jù)水文環(huán)境不同,水聲傳感器需要根據(jù)水文環(huán)境大小調(diào)節(jié)聲壓級,當(dāng)水聲信道環(huán)境較為復(fù)雜時,聲壓級需要變大,相反時,聲壓級需要調(diào)小。同時,水聲傳播損失與距離的公式(柱面波),也說明傳播損失與距離成正相關(guān)的關(guān)系。

遠(yuǎn)程的浮潛標(biāo)由于自帶電池能量有限,多個浮潛標(biāo)組網(wǎng)后為了能工作的時間更長,需要設(shè)計網(wǎng)路使聲傳播距離最近,傳播損耗更低。根據(jù)PEGASIS 組網(wǎng)協(xié)議提出了一種改進(jìn)型的PEGASIS 組網(wǎng)協(xié)議,這種協(xié)議與傳統(tǒng)PEGASIS 最大的區(qū)別是每個簇頭需要根據(jù)之前的同步消息比較下一個節(jié)點到自己的距離與到客戶端的距離大小,當(dāng)下一個節(jié)點到簇頭距離較近時,將信息傳遞至簇頭;當(dāng)節(jié)點距離客戶端距離近時,將信息傳遞至客戶端。將每一個節(jié)點(,...)距客戶端(記為)距離記為To_List,之后按照以下步驟完成:

計算出Max(To_List)的節(jié)點,記為;

將距離最近的節(jié)點記為;

,間距記為__,鏈接路徑記為,利用如下算法:

之后將節(jié)點設(shè)置為,重復(fù)3 個步驟。

改進(jìn)型PEGASIS 組網(wǎng)協(xié)議流程圖如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)型PEGASIS 組網(wǎng)協(xié)議流程圖Fig.4 Improved PEGASIS networking flowchart

12 個節(jié)點按照改進(jìn)型的PEGASIS 協(xié)議產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)型 PEGASIS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.5 Improved PEGASIS topology diagram

3 組網(wǎng)方式的比較

針對構(gòu)建的12 個節(jié)點模型對LEACH,PEGASIS 以及改進(jìn)型的PEGASIS 的3 個組網(wǎng)協(xié)議傳播損失對比圖以及數(shù)據(jù)同步一個周期內(nèi)鏈路通信次數(shù)排序進(jìn)行Matlab 仿真,結(jié)果如圖6 和圖7 所示??梢钥闯?,此次模型中,改進(jìn)型的PEGASIS 協(xié)議與典型的PEGASIS 協(xié)議只有在二象限4-5-6 節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有不同,改進(jìn)型的PEGASIS 傳播損失更低(此模型中相較于PEGASIS 傳播損失降低5%),且需要的周期更短(4-5-6 節(jié)點只需要2 個周期),可以縮短網(wǎng)絡(luò)延時,綜合單鏈功耗降低以及周期更短的特性,改進(jìn)型PEGASIS 協(xié)議實際傳輸中能耗可降低20%以上。

圖6 傳播損失對比圖Fig.6 Transmission loss comparison chart

圖7 周期對比圖Fig.7 Cycle comparison chart

4 結(jié) 語

根據(jù)仿真結(jié)果,改進(jìn)型的 PEGASIS 組網(wǎng)效率更高,尤其在解決傳統(tǒng) PEGASIS 組網(wǎng)中出現(xiàn)的鏈過長,傳輸能效低,傳輸時間長的問題時,效果較為良好,改進(jìn)型的 PEAGASIS 可以優(yōu)化傳輸中的數(shù)據(jù)鏈,減少單鏈的節(jié)點數(shù),在傳輸效能上大大提高,可以廣泛應(yīng)用于水聲傳感器組網(wǎng)。

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