0 引言

    無(wú)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(guò)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(guò)程中闡明DEEC，文獻(xiàn)[5]在研究過(guò)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(guò)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(wú)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(lái)形成簇首，相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(méi)有任何限制；

    (4)利用隨機(jī)函數(shù)來(lái)對(duì)感知方向進(jìn)行確定。

    無(wú)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(guò)相應(yīng)的模式來(lái)進(jìn)行，在這里，發(fā)送k bit信息所需要能量可以通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(wú)法涉及到，詳細(xì)狀況見圖4。

    具體應(yīng)用過(guò)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(guò)虛擬勢(shì)場(chǎng)的原理來(lái)提高其覆蓋范圍。具體來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中通過(guò)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(guò)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(yǔ)

    為了延長(zhǎng)無(wú)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(guò)與當(dāng)前經(jīng)典的無(wú)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(zhǎng)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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