0 引言

    無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常強大的功能，其中主要涉及到各種能力的視頻傳感器節(jié)點。然而節(jié)點的計算能力與能量資源相對有限，在非常不利的條件下，電池無法重新進行充電。怎樣充分發(fā)揮出節(jié)點能量，提高整個網(wǎng)絡(luò)的使用時間是開發(fā)通信協(xié)議工作的重點^[1]。

    LEACH^[2]是業(yè)界最為常用的一個以分簇為基礎(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)點剩余能量，同時各節(jié)點確定成簇首的可能性大約一樣，因此當確定能量少的節(jié)點是簇首時，其非常易于在很短的時間內(nèi)就死亡^[3]。

    在解決LEACH協(xié)議的弊端方面，業(yè)界一些專家展開細致的探討，闡明了一系列的優(yōu)化協(xié)議：文獻[4]在研究過程中闡明DEEC，文獻[5]在研究過程中闡明了充分考慮剩余能量和節(jié)點位置的協(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的基本機理上，充分考慮節(jié)點監(jiān)測區(qū)域相關(guān)性，對其實施優(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，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)點隨機分布。為充分保證其一般性，需要進行下面幾種假設(shè)：

    (1)各節(jié)點都存在自己的單個ID，均增添攝像頭，其所處地點保持穩(wěn)定，不會變化，有相等的有限的能量，都座落在同個平面之中；

    (2)經(jīng)由選取來形成簇首，相對來說，它的級別高于一般的節(jié)點，能夠和Sink節(jié)點相互交互數(shù)據(jù)信息。

    (3)Sink節(jié)點主要處在監(jiān)測區(qū)上部位置，計算能力與能量沒有任何限制；

    (4)利用隨機函數(shù)來對感知方向進行確定。

    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)的模式來進行，在這里，發(fā)送k bit信息所需要能量可以通過下式進行描述：

1.3 感知模型

    節(jié)點的感知范圍是扇形區(qū)域，其圓心是節(jié)點、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)點的位置坐標，R是傳感半徑，V是指節(jié)點在t時的傳感方向，2α指傳感區(qū)域視角，α是指V的傳感夾角。

2 MSOWVRP協(xié)議設(shè)計

2.1 簇首的選取

    首先把無線視頻監(jiān)測區(qū)域細化為若干扇形，在此基礎(chǔ)上，做好相應(yīng)的標記，接著把節(jié)點ID和它的扇形對應(yīng)，這樣就形成了弧形方塊（其圓心是基站），各弧形方塊是1個簇，簇首具有最高的能耗，這是由于它會處理簇內(nèi)節(jié)點的信息，同時還會轉(zhuǎn)發(fā)臨近簇數(shù)據(jù)。MSOWVRP協(xié)議在確定簇首過程中，充分分析節(jié)點剩余能量及與Sink節(jié)點距離兩個方面的內(nèi)容。

    詳細過程為：先求解剩余能量，如果該數(shù)值比所有節(jié)點的平均值小，則不具備成為簇首的條件，否則，求解兩者的距離；如果這一個數(shù)值比別的節(jié)點的距離大，在這種情況下，其將不會成為簇首，這樣就使得能量相對偏高的節(jié)點最有可能成為簇首，從而在很大程度上減小了能量相對偏小的節(jié)點被確定成簇首的可能性，最終使得節(jié)點能耗變得愈發(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)點一組，里面的任何2個節(jié)點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)運行時，如果沒有實施必要的篩選而將其傳輸?shù)酱仡^，這樣就會使得在簇頭節(jié)點匯集過程產(chǎn)生十分嚴重的偏差，所以該種方法應(yīng)當按照具體需求進行。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)由對比節(jié)點和每一簇首之間的遠近，確定較近的為簇內(nèi)分子。詳細狀況見圖3。

2.3 基于虛擬勢場的節(jié)點感知方向調(diào)整

    此處，以隨機方式產(chǎn)生節(jié)點位置，將使傳感器節(jié)點在所有監(jiān)測區(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)點都具有移動能力，其節(jié)點位置的移動極易造成傳感器節(jié)點失效，并使整個網(wǎng)絡(luò)拓撲改變，均會提高網(wǎng)絡(luò)維護成本。為此，基于傳感器節(jié)點位置不變、傳感方向可調(diào)的假設(shè)，主要通過虛擬勢場的原理來提高其覆蓋范圍。具體來說，應(yīng)當適當變換全部節(jié)點的感知方向，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)點通信時，首先需要求解簇首與基站兩者之間的遠近和最高距離的比值，可以通過下式進行求解：

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，先融合上一級節(jié)點，在此基礎(chǔ)上，接著把它傳輸至后續(xù)的節(jié)點。

3 仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境及場景設(shè)置

    為對MSOWVRP協(xié)議的總體性能進行測試，在P4雙核 2.85 GHz CPU 4G RAM、Windows XP、MATLAB 2012下實施相應(yīng)的仿真操作，同時通過LEACH及DEEC協(xié)議實施相應(yīng)的比對實驗，并從網(wǎng)絡(luò)生存時間等角度實施性能分析。實驗條件為：在某100 m×100 m的范圍中，隨機存在著節(jié)點100個。這個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 生存時間分析

    相同初始狀態(tài)下，LEACH、DEEC、MSOWVRP協(xié)議的生存時間具有不同的表現(xiàn)，圖7為不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間對比。通過與前面的兩個協(xié)議比較看出，MSOWVRP協(xié)議的性能大幅提高，這是因為這一個協(xié)議是在確定簇首的過程中通過最優(yōu)原則進行，在很大程度上減小了能量剩余偏小者當選的可能性，使得偏高者當選的可能性提高，同時利用優(yōu)化簇間、簇內(nèi)通信模式，明顯減小了節(jié)點能耗，使網(wǎng)絡(luò)能耗更均勻，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

    通常情況下，80%節(jié)點死亡時，網(wǎng)絡(luò)會變得無效，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偏高者當選，將能量負載平均分配至各節(jié)點，從而將負載減小。

3.2.2 覆蓋率分析

    相同初始狀態(tài)時，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)測區(qū)域覆蓋率對比圖。與前面的兩個協(xié)議比較，MSOWVRP協(xié)議的覆蓋率明顯改善，這是因為這一協(xié)議主要是通過虛擬勢場原理科學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候未分析各節(jié)點的能量均衡，運行時節(jié)點的分化明顯，節(jié)點間能耗存在非常大的差異，因此，當剩余能量偏小者當選時，節(jié)點將會在短時間內(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)生存時間，提高節(jié)點能量利用率，本文提出了MSOWVRP協(xié)議，并通過與當前經(jīng)典的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進行對比測試。仿真結(jié)果表明，MSOWVRP協(xié)議不僅可以延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，而且增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

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