無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中PEGASIS協(xié)議的研究與改進*

劉偉強，蔣 華，王 鑫

(桂林電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域，它在本世紀得到了大力的發(fā)展，其中無線傳感器路由協(xié)議是發(fā)展的重點［1］。通常傳感器節(jié)點的能源裝置不方便更換，能源問題成為制約無線傳感器的關(guān)鍵因素［2］，因此無線傳感器路由協(xié)議的首要目標是提高傳感器能量的利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。因此，大量低功耗路由協(xié)議被提出，其中PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)典的低功耗路由協(xié)議之一，它是由Stephanie Lmdsey等人在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上提出的鏈式協(xié)議［3］。該協(xié)議的主要思想是將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點連成一條鏈，基站在鏈中選擇一個簇頭，通信時信息從鏈的兩端開始沿鏈將數(shù)據(jù)傳輸給簇頭，再由簇頭發(fā)送給基站。相對于LEACH協(xié)議，該協(xié)議在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)能量利用率，但也產(chǎn)生了通信時延過長，遠離基站的簇頭節(jié)點容易死亡的缺點，同時網(wǎng)絡(luò)能量利用率有待進一步提高。針對PEGASIS協(xié)議的這些不足，本文重點研究如何提高該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間與降低其數(shù)據(jù)傳輸延遲，并提出了一個能解決這些問題的新協(xié)議。

1 相關(guān)工作

對于PEGASIS協(xié)議的研究，前人已經(jīng)做了很多工作。文獻［4］在PEGASIS協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一個新協(xié)議EECB，該協(xié)議在選擇鏈首時將節(jié)點剩余能量與節(jié)點到基站距離考慮在內(nèi)，且通過閥值方式避免了長鏈的出現(xiàn)，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，但沒有解決數(shù)據(jù)通信延遲問題。文獻［5］通過結(jié)合LEACH協(xié)議與PEGASIS協(xié)議提出一種改進協(xié)議，該協(xié)議選簇頭、成簇階段與LEACH協(xié)議相同，簇內(nèi)通信采用單跳直接通信與鏈通信方式相結(jié)合，簇間通信采用鏈式通信方式，該方式解決了PEGASIS協(xié)議中通信延遲大的問題，但沒有解決長鏈問題。文獻［6］提出一種帶樹幾何算法(Strip Tree Geometry Algorithm)，運用該算法建鏈時避免了長鏈的產(chǎn)生，該協(xié)議延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，但沒有解決時延長的問題。文獻［7］在分析了PEGASIS協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了分層鏈樹的路由協(xié)議HCTRP(Hierarchical Chain-Tree Routing Protoeol)，該協(xié)議根據(jù)傳感器節(jié)點與基站的距離，把整個網(wǎng)絡(luò)劃分為以基站為圓心的環(huán)狀層次區(qū)域，然后構(gòu)造從外層節(jié)點經(jīng)由內(nèi)層節(jié)點到基站的鏈狀路由樹，數(shù)據(jù)沿著鏈狀路由樹路徑傳輸?shù)交?，該協(xié)議在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間。文獻［8］提出了EEPB協(xié)議，此協(xié)議通過引入距離門限避免相鄰節(jié)點間產(chǎn)生長鏈，并且在主鏈的基礎(chǔ)產(chǎn)生了支鏈，該協(xié)議避免了長鏈，提高了能量利用率，但同樣沒有解決時延大的問題。

該文在PEGASIS協(xié)議基礎(chǔ)上采用樹的思想與分簇思想提出了一種分簇成樹的新路由協(xié)議。該協(xié)議通過對監(jiān)測區(qū)域劃分成多個子區(qū)域，節(jié)點根據(jù)自身所在的子區(qū)域建立路由樹，數(shù)據(jù)沿著路由樹路徑傳輸?shù)交?，解決了PEGASIS協(xié)議中存在長鏈、通信時延大的缺點，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的利用率。

2 PEGASIS協(xié)議描述

PEGASIS協(xié)議是由LEACH協(xié)議發(fā)展而來，但又與LEACH協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)大不相同，LEACH協(xié)議是簇結(jié)構(gòu)，而PEGASIS協(xié)議是鏈式結(jié)構(gòu)，它通過貪婪算法將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點建成一條鏈，網(wǎng)絡(luò)收集到的信息在鏈上傳遞至由基站選定的鏈頭節(jié)點上，再由簇頭發(fā)送給基站［9］。建鏈從離基站最遠的節(jié)點開始，該節(jié)點發(fā)送試探信號，通過監(jiān)測其他節(jié)點的應(yīng)答信號的強弱來確定離自己最近的節(jié)點，并將離自已最近的節(jié)點加入鏈中。然后被加入的節(jié)點也按上面所述方式確定離自己最近的節(jié)點(不包括已入鏈的節(jié)點)并將其加入鏈，依此類推最終形成一條包括所有節(jié)點的鏈。當(dāng)基站選定簇頭節(jié)點后，就采用令牌控制機制進行數(shù)據(jù)傳輸。首先將令牌信號傳遞給鏈兩端的節(jié)點，鏈兩端的節(jié)點向鏈中的下一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點將自己的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，然后將融合后的數(shù)據(jù)再發(fā)送到下一個節(jié)點，最終由鏈頭節(jié)點融合兩端的數(shù)據(jù)并發(fā)送給基站。當(dāng)鏈中有一個節(jié)點死亡時，網(wǎng)絡(luò)需要重新建鏈［10］。

PEGASIS協(xié)議中除了“長鏈”兩端的節(jié)點與鏈頭節(jié)點之外，絕大多數(shù)節(jié)點只需將信息發(fā)送給離自己最近的節(jié)點，所以相對于LEACH協(xié)議，PEGASIS中所有節(jié)點平均通信距離較短，整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗較小。但PEGASIS協(xié)議有如下缺點:

(1)建鏈時會出現(xiàn)“長鏈”情況，導(dǎo)致“長鏈”兩端節(jié)點過早死亡。

(2)信息從鏈兩端傳送到鏈頭再發(fā)送給基站的過程造成的時延不可接受。

(3)一旦有節(jié)點死亡，整個網(wǎng)絡(luò)需重新建鏈，網(wǎng)絡(luò)維護代價過大。

3 PEGASIS-I協(xié)議原理

3.1 協(xié)議描述

PEGASIS-I(PEGASIS-Improved)協(xié)議運行時對基站的位置有一個要求，需要基站在監(jiān)測區(qū)域的中間。該協(xié)議包括3個步驟，每個步驟下又包括若干子步驟:

第1步，基站分配工作:

(1)所有節(jié)點將自己的位置信息與ID信息發(fā)送給基站，基站將整個監(jiān)測區(qū)域看成以自身為圓心的圓形區(qū)域，然后基站跟據(jù)監(jiān)測區(qū)域節(jié)點的密度形成一個角度θ(0＜θ＜π/2)，并且計算每個節(jié)點離基站的距離。

(2)基站以某一標記點為參照將監(jiān)測區(qū)域分成［2π/θ］個以基站為圓心扇形子區(qū)域并標上子區(qū)域標記，然后基站將節(jié)點ID與節(jié)點所在的區(qū)域一一對應(yīng)起來。比如:節(jié)點V在子區(qū)域Ⅱ，基站即形成位置對應(yīng)關(guān)系location(V)=Ⅱ。如圖1所示。

圖1 區(qū)域劃分圖

(3)基站做完上述工作后將節(jié)點的位置關(guān)系和節(jié)點與基站的距離等信息廣播，讓所有節(jié)點知道自己是屬于哪個子區(qū)域內(nèi)以及自己與基站的距離是多少。

第2步，每個區(qū)域的節(jié)點開始建樹，建樹遵循如下規(guī)則:

每個區(qū)域內(nèi)節(jié)點V通過發(fā)送能量遞減的測試信號，并監(jiān)測應(yīng)答信號來確定離自己最近的相鄰節(jié)點V'，如果最近節(jié)點V'滿足如下條件則將它設(shè)定成節(jié)點V的父節(jié)點:

(1)節(jié)點V'所在的區(qū)域編號和節(jié)點V相同;

(2)節(jié)點V'離基站的距離比 V離基站的距離近;

如果最近節(jié)點V'不能同時滿足以上兩個條件，則節(jié)點V找到離自己次近的節(jié)點，直到找到同時符合上面兩個條件的且離自己最近的節(jié)點做為自己的父節(jié)點。如果節(jié)點V確定V'可以作自已的父節(jié)點，則V向V'發(fā)出想作為其子節(jié)點的信息，V'收到子節(jié)點要求加入的信息后發(fā)出“接受”信息。這樣V就成為了V'的子節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)通信時，V將自身收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給V'。

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點按第2步的方式操作后，整個網(wǎng)絡(luò)中所有子區(qū)域內(nèi)節(jié)點勻形成了一棵路由樹，如圖2所示。

圖2 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸路徑圖

第3步，數(shù)據(jù)傳輸階段

數(shù)據(jù)傳輸從樹的葉子節(jié)點開始經(jīng)樹枝、樹干傳輸?shù)綐涓瑯涓賹?shù)據(jù)發(fā)送給基站。數(shù)據(jù)傳輸時遵守以下規(guī)則:

(1)如果一個節(jié)點有多個子節(jié)點，它必須為每個子節(jié)點分配數(shù)據(jù)發(fā)送時間段，避免數(shù)據(jù)接收沖突。

(2)父節(jié)點收到子節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后須回復(fù)一條接收完畢的信息，當(dāng)父節(jié)點將自己所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)收集完后將子節(jié)點的數(shù)據(jù)與自己的數(shù)據(jù)融合，然后將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的父節(jié)點。如果子節(jié)點發(fā)送完信息后過一段時間沒有收到父節(jié)點的回復(fù)信息則認為父節(jié)點死亡，該子節(jié)點重新按照第2步中的方法重新為自己確定父節(jié)點。

(3)如果父節(jié)點在規(guī)定的時間里沒有接收到相應(yīng)子節(jié)點的信息，則認為該子節(jié)點死亡，不再等待該子節(jié)點的數(shù)據(jù)。

(4)如果有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)中，新節(jié)點先將自已的位置信息單跳直接發(fā)送給基站，基站收到信息后根據(jù)它所在的位置確定它與基站的距離以及它屬于哪個區(qū)域，然后將這些信息廣播給新節(jié)點，然后新節(jié)點根據(jù)這些信息按照步驟2的方法加入到其所在子區(qū)域的路由樹中。

3.2 節(jié)點與子區(qū)域的對應(yīng)方法

新協(xié)議中存在如何確定節(jié)點在哪個子區(qū)域的問題，此節(jié)描述了解決該問題的方法。為了對監(jiān)測區(qū)劃分子區(qū)域，首先基站在監(jiān)測區(qū)域中距離基站x0處設(shè)定一個標記點(Mark)，然后對監(jiān)測區(qū)域建立以基站為原點的直角坐標系，以基站BS與標記點Mark連成的直線為橫軸X，以經(jīng)過基站并垂直于橫軸的直線為Y軸，并使Mark點位于X軸正半軸上。因此BS坐標為(0，0)，標記點 Mark 坐標為(x0，0)。區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的位置坐標一一對應(yīng)轉(zhuǎn)換到該直角坐標系上，形成對應(yīng)的虛坐標。因為節(jié)點的真正位置坐標是相對于地球來說，而虛坐標則是相對于該直角坐標系的位置。以下所稱坐標均指虛坐標。

坐標系建立后，基站根據(jù)參數(shù)θ將監(jiān)測區(qū)域分成［2π/θ］個子區(qū)域，將X軸正半軸上邊的子區(qū)域開始從1開始編號，沿逆時針方向依次遞增，如圖1所示。下面是說明如何根據(jù)節(jié)點的位置來確定節(jié)點所屬的子區(qū)域。

代入數(shù)據(jù)化簡可得:

則向量a與b的逆時針夾角φ的表達示如下:

即設(shè)節(jié)點V(xv，yv)所在的子區(qū)域編號為φ，則φ的表達示如下:

至此，通過上述公式便可求出任意節(jié)點V所在的區(qū)域號，于是有l(wèi)ocation(V)=φ，如圖3所示。

圖3 區(qū)域計算說明圖

3.3 能量模型

本協(xié)議能量模型與融合模型采用文獻［11］中的模型。式(6)中d為傳輸距離，ETx(k，d)表示傳感器節(jié)點發(fā)送k bit數(shù)據(jù)通過距離d時的能耗，由發(fā)射電路耗損和功率放大耗損兩部分構(gòu)成。功率放大耗損根據(jù)發(fā)送者和接收者之間的距離分別采用自由空間模型和多路徑衰減模型。Eelec為發(fā)射電路的耗損能量。εfs和εmp分別表示兩種信道模型下功率放大所需能量。式(7)表示接收k bit數(shù)據(jù)的能量耗損，僅由電路耗損引起。式(8)為將接收到的n個節(jié)點發(fā)送過來的n kbit數(shù)據(jù)與本身的k bit數(shù)據(jù)融合，融合成k bit數(shù)據(jù)再發(fā)送出去。

數(shù)據(jù)發(fā)送:

數(shù)據(jù)接收:

數(shù)據(jù)接收:

4 仿真結(jié)果及分析

利用MATLAB軟件對PEGASIS協(xié)議與改進協(xié)議進行仿真比較，分別從網(wǎng)絡(luò)的生存時間與網(wǎng)絡(luò)延遲兩方面來評價新協(xié)議的性能。仿真時因為節(jié)點所在位置是隨機選取，隨機因素大，所以下面每個仿真數(shù)據(jù)中除了圖6的數(shù)據(jù)外其余數(shù)據(jù)勻為循環(huán)50次，取平均值后再取整的結(jié)果。仿真中所有節(jié)點固定，節(jié)點死亡后不再補充新的節(jié)點，節(jié)點分布為電腦隨機分配，節(jié)點通信功率可調(diào)，即節(jié)點可以根據(jù)距離來調(diào)整發(fā)射功率的大小，其他具體實驗參數(shù)如表1。

表1 參數(shù)設(shè)置

4.1 參數(shù)的確定

在新協(xié)議中θ參數(shù)非常重要，它直接影響新協(xié)議的性能。在監(jiān)測區(qū)域中節(jié)點的密度不同，最佳參數(shù)值的設(shè)置也不同。下面通過仿真來確定在新協(xié)議在實驗條件下最合適的參數(shù)值，使得新協(xié)議在本實驗條件下達到最佳性能。圖4是當(dāng)θ取不同的值時，新協(xié)議運行的節(jié)點存活數(shù)與輪數(shù)關(guān)系仿真圖，圖中的“pi”表示 π，從圖中可看出:當(dāng) θ取值為 π/8時，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點存活時間最短，新協(xié)議性能最差，當(dāng)θ取值為π/3時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活時間最長，新協(xié)議性能最好，故在該實驗條件下最合適的參數(shù)值設(shè)置是 θ=π/3。

4.2 網(wǎng)絡(luò)能量利用率

新協(xié)議的首要目標就是要提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率，由2.2節(jié)中簇內(nèi)建樹的算法可以知道每個節(jié)點均將信息發(fā)送給朝基站方向離自身最近的節(jié)點，避免了長鏈的出現(xiàn)。另外，所有樹根均靠近基站，通信距離短。這些都有助于網(wǎng)絡(luò)能量利用率的提高，下面通過仿真來驗證新協(xié)議的能量效率。圖4是兩協(xié)議運行時輪數(shù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)關(guān)系圖。文中以50%節(jié)點死亡時的輪數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)生存時間，并對第1個節(jié)點開始死亡的輪數(shù)、10%節(jié)點死亡的輪數(shù)、30%節(jié)點死亡的輪數(shù)、50%節(jié)點死亡的輪數(shù)、全部節(jié)點死亡的輪數(shù)進行了比較，結(jié)果如表2所示。從表2中的結(jié)果我們可以看出新協(xié)議比PEGASIS協(xié)議的生存周期提高了198%，第一個節(jié)點死亡時間更是大大的推遲了，10%、30%、100%節(jié)點死亡時間也都得到了很大的改善。從以上結(jié)果可以看出新協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存時間方面相比于原協(xié)議有了長足的進步，其原因是新協(xié)議避免了“長鏈”且和與基站通信的樹根離其站很近。

圖4 θ取不同值時節(jié)點存活情況圖

表2 兩種協(xié)議不同生命期對比結(jié)果

4.3 通信延遲

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點發(fā)送信息的延遲為t，共有n個節(jié)點平分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。在PEGASIS協(xié)議中延遲最好的情況是基站選擇了鏈正中間的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，此時總通信延遲T1為:

圖6是兩個協(xié)議延遲情況圖，在計算時延時文中設(shè)定每個節(jié)點通信時延為1 ms。在新協(xié)議中各個子區(qū)域并行通信，整個網(wǎng)絡(luò)時延等同于時延最長的子區(qū)域的通信時延。從圖中可以看出，PEGASIS協(xié)議的時延很不確定，時高時低，這與該協(xié)選取的簇頭位置有關(guān)，當(dāng)簇頭位置是通信鏈的中間位置時網(wǎng)絡(luò)整體時延最小，簇頭為鏈的兩端時時延最大。新協(xié)議的時延比較固定，不會上下不停的波動。圖6所表示的是每一輪通信網(wǎng)絡(luò)的延遲情況，但輪數(shù)相同時，兩協(xié)議對應(yīng)的存活節(jié)點數(shù)不一定相同，不能直接得出它們延遲的對比情況，只能體現(xiàn)其不同生命期整延遲情況。圖7是表示兩協(xié)議運行時兩協(xié)議延遲與網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，它是兩協(xié)議運行50次取平均值的結(jié)果，它能更清楚的表明兩協(xié)議的延遲情況。文中對0%、10%、30%、50%節(jié)點死亡時的延遲進行了比較，比較結(jié)果如表3所示。從表3可以看出在0%、10%、30%、50%節(jié)點死亡時的時期新協(xié)議的延遲分別降低了70%、66%、64%、58%，數(shù)據(jù)表明:新協(xié)議有效降低了網(wǎng)絡(luò)時延，并且存活節(jié)點越多，延遲降低的幅度越大。

圖5 節(jié)點存活數(shù)與輪數(shù)關(guān)系圖

圖6 相同時刻延遲對比圖

圖7 存活節(jié)點數(shù)相同時延遲對比圖

表3 兩種協(xié)議不同生命期延遲情況對比結(jié)果

4.4 網(wǎng)絡(luò)維護代價

在PEGASIS協(xié)議中一旦有節(jié)點死亡，整個網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點需要重新建鏈，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化大，而PEGASIS-I協(xié)議中有節(jié)點死亡時，如果該節(jié)點是葉子節(jié)點則對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)沒有影響，如果死亡節(jié)點是非葉子節(jié)點，則只需該節(jié)點的子節(jié)點重新確定其父節(jié)點，其他節(jié)點不會受到影響?？傊?，PEGASIS-I協(xié)議的維護簡單，提高了網(wǎng)絡(luò)能量利用率，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

總結(jié)仿真結(jié)果，新協(xié)議相比于PEGASIS協(xié)有如下兩個優(yōu)點:(1)能量利用率高，有效延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間;(2)網(wǎng)絡(luò)延遲低，使得網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)更迅速;(3)網(wǎng)絡(luò)維護消耗低?？傊?，新協(xié)議以上兩方面明顯優(yōu)于PEGASIS協(xié)議。

5 結(jié)論

通過分析PEGASIS協(xié)議后發(fā)現(xiàn)，雖然它是由LEACH協(xié)議發(fā)展而來，相比于LEACH協(xié)議它能提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率，但同時存在以下幾點不足:一是鏈的生成容易產(chǎn)生長鏈，使得長鏈兩端節(jié)點容易死亡;二是信息延鏈傳遞使得網(wǎng)絡(luò)延遲變得不可接受;三是網(wǎng)絡(luò)維護消耗高，有節(jié)點死亡時需重新建鏈，增加了網(wǎng)絡(luò)消耗［12］。針對這些不足，文中提出一種改進協(xié)議PEGASIS-I協(xié)議，新協(xié)議利用樹的特性使節(jié)點與節(jié)點之間避免了長鏈，推遲了第1個節(jié)點的死亡時間，延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期;利用扇形分區(qū)的方式將網(wǎng)絡(luò)分成若干個區(qū)域，減小了網(wǎng)絡(luò)通信時延;簡化網(wǎng)絡(luò)維護方式，降低網(wǎng)絡(luò)維護消耗。分析和仿真結(jié)果表明:改進后的算法在延長網(wǎng)絡(luò)生存時間與降低網(wǎng)絡(luò)延遲方面均有更優(yōu)越的性能。但該協(xié)議存在樹根節(jié)點通信負載過大的問題，下一步將進行如下的研究:改進樹形鏈上節(jié)點的通信模式，減輕樹根節(jié)點的通信壓力。

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