0 引言

    無線視頻傳感器網絡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點。然而節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。怎樣充分發揮出節點能量，提高整個網絡的使用時間是開發通信協議工作的重點^[1]。

    LEACH^[2]是業界最為常用的一個以分簇為基礎的協議，但其存在不足。例如，確定簇首的過程中，并未分析節點剩余能量，同時各節點確定成簇首的可能性大約一樣，因此當確定能量少的節點是簇首時，其非常易于在很短的時間內就死亡^[3]。

    在解決LEACH協議的弊端方面，業界一些專家展開細致的探討，闡明了一系列的優化協議：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點位置的協議。上述各種協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化協議MSOWVRP(Multi-angle Sensor Networks of Wireless Video Route Protocol)。該協議在分析LEACH的基本機理上，充分考慮節點監測區域相關性，對其實施優化處理。通過仿真可以發現，與LEACH協議相比，優化的MSOWVRP協議具有較好的優勢，其能夠充分保證網絡能耗處于一種均衡的狀態之中，同時能夠在很大程度上提高其壽命。

1 無線視頻傳感器網絡結構及模型

1.1 結構

    在傳感器網絡中，各節點隨機分布。為充分保證其一般性，需要進行下面幾種假設：

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

    (2)經由選取來形成簇首，相對來說，它的級別高于一般的節點，能夠和Sink節點相互交互數據信息。

    (3)Sink節點主要處在監測區上部位置，計算能力與能量沒有任何限制；

    (4)利用隨機函數來對感知方向進行確定。

    無線視頻傳感器網絡結構圖如圖1所示。

1.2 能耗模型

    MSOWVRP算法中，求解能耗主要通過相應的模式來進行，在這里，發送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

    節點的感知范圍是扇形區域，其圓心是節點、半徑是感知距離，感知模型圖見圖2。其中p(x，y)是有向傳感器節點的位置坐標，R是傳感半徑，V是指節點在t時的傳感方向，2α指傳感區域視角，α是指V的傳感夾角。

2 MSOWVRP協議設計

2.1 簇首的選取

    首先把無線視頻監測區域細化為若干扇形，在此基礎上，做好相應的標記，接著把節點ID和它的扇形對應，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節點的信息，同時還會轉發臨近簇數據。MSOWVRP協議在確定簇首過程中，充分分析節點剩余能量及與Sink節點距離兩個方面的內容。

    詳細過程為：先求解剩余能量，如果該數值比所有節點的平均值小，則不具備成為簇首的條件，否則，求解兩者的距離；如果這一個數值比別的節點的距離大，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點被確定成簇首的可能性，最終使得節點能耗變得愈發均衡，在很大程度上提高了網絡壽命。

2.2 簇的形成

    各簇之中均包括網絡節點一組，里面的任何2個節點相互之間的間距都比提前規定的參數值小。引入分簇算法主要是為了建成囊括所有節點的、有效支持路由協議與資源管理的彼此相連的簇的集合。該系統運行時，如果沒有實施必要的篩選而將其傳輸到簇頭，這樣就會使得在簇頭節點匯集過程產生十分嚴重的偏差，所以該種方法應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正相關性，所以考慮到降低能耗，經由對比節點和每一簇首之間的遠近，確定較近的為簇內分子。詳細狀況見圖3。

2.3 基于虛擬勢場的節點感知方向調整

    此處，以隨機方式產生節點位置，將使傳感器節點在所有監測區域范圍內非常不一致，或許其中某些區域無法涉及到，詳細狀況見圖4。

    具體應用過程中，鑒于網絡部署成本，不可能所有傳感器節點都具有移動能力，其節點位置的移動極易造成傳感器節點失效，并使整個網絡拓撲改變，均會提高網絡維護成本。為此，基于傳感器節點位置不變、傳感方向可調的假設，主要通過虛擬勢場的原理來提高其覆蓋范圍。具體來說，應當適當變換全部節點的感知方向，利用這一種方式使覆蓋范圍最大限度地增加。適當調整后的結果可以通過圖5描述。

2.4 簇內通信

    簇內節點通信時，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

    該環節與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據，把它傳輸至基站，先融合上一級節點，在此基礎上，接著把它傳輸至后續的節點。

3 仿真實驗

3.1 仿真環境及場景設置

    為對MSOWVRP協議的總體性能進行測試，在P4雙核 2.85 GHz CPU 4G RAM、Windows XP、MATLAB 2012下實施相應的仿真操作，同時通過LEACH及DEEC協議實施相應的比對實驗，并從網絡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，隨機存在著節點100個。這個過程中涉及到的仿真參數見表1。

3.2 結果與分析

3.2.1 生存時間分析

    相同初始狀態下，LEACH、DEEC、MSOWVRP協議的生存時間具有不同的表現，圖7為不同協議的網絡生存時間對比。通過與前面的兩個協議比較看出，MSOWVRP協議的性能大幅提高，這是因為這一個協議是在確定簇首的過程中通過最優原則進行，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，同時利用優化簇間、簇內通信模式，明顯減小了節點能耗，使網絡能耗更均勻，延長網絡的生存時間。

    通常情況下，80%節點死亡時，網絡會變得無效，表2給出了上述3種協議在10%、50%、80% 3種狀況下的存活輪數。通過表2可以看出，本文提出的優化協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點，從而將負載減小。

3.2.2 覆蓋率分析

    相同初始狀態時，3種協議的覆蓋率具有不同表現，圖8為不同協議的監測區域覆蓋率對比圖。與前面的兩個協議比較，MSOWVRP協議的覆蓋率明顯改善，這是因為這一協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 網絡能耗比較

    三種協議的節點剩余能量方差分布具有不同的表現，圖9為能耗變化曲線。與前面的兩個協議比較，MSOWVRP協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點的能量均衡，運行時節點的分化明顯，節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，節點將會在短時間內死亡，在很大程度上降低了網絡壽命。但是MSOWVRP協議分析了能量差異，有效確保了不同節點的能耗均衡，使其利用率不斷提升。

4 結束語

    為了延長無線傳感器網絡生存時間，提高節點能量利用率，本文提出了MSOWVRP協議，并通過與當前經典的無線視頻傳感器網絡路由協議進行對比測試。仿真結果表明，MSOWVRP協議不僅可以延長整個網絡的生存時間，而且增大了監測區域的覆蓋率，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] Mohammad Alaei，Barcelo Ordinas.A collaborative node management scheme for energy efficient monitoring in wireless multimedia sensor networks[J].Wireless Network，2013，19(12)：639-659.

[2] Shen Hang，Bai Guangwei，Tang Zhenmin，et al.QMOR：QoS-aware multi-sink opportunistic routing for wireless multimedia sensor networks[J].Wireless Personal Communications，2013，72(4)：110-125.

[3] Ma Huan，Yang Meng，Li Deying，et al.Minimum camera barrier coverage in wireless camera sensor networks[C].Proceedings of IEEE INFOCOM，2012：217-225.

[4] DAI R，WANG P，AKYILDIZ I F.Correlation-aware QoS routing with differential coding for wireless video sensor networks[J].IEEE Transactions on Multimedia，2012，14(5)：1469-1479.

[5] 魯琴，杜列波，左震.無線多媒體傳感網節點能耗問題評述[J]．傳感器與微系統，2008，27(12)：1-3，7.