關(guān)于一種改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)PEGASIS的算法的研究

摘 要：當(dāng)今的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，其大量組成的傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，能感知和采集，并處理相關(guān)信息，傳送到基站。由于其自身能量的限制，傳感器網(wǎng)絡(luò)消耗的能量大小成為關(guān)注的一個(gè)核心問題。對(duì)于該問題，本文通過改進(jìn)的LEACH-energy，以LEACH和PEGASIS路由協(xié)議為基礎(chǔ)，得出新的路由算法——APLe（Adaptive PEGASIS&LEACH-energy）。APLe在簇內(nèi)自適應(yīng)地決定采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)或是星形結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了PEGASIS和LEACH-energy在能耗方面的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了PEGSIS時(shí)延的缺陷。通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)論證，改進(jìn)的Figure 1 APLe topology在網(wǎng)絡(luò)中減低能耗、便于管理、延長(zhǎng)生命周期有顯著提高。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);路由技術(shù);能量損耗;LEACH;PEGSIS

由于PEGASIS鏈中的節(jié)點(diǎn)沒有分簇，導(dǎo)致鏈中節(jié)點(diǎn)時(shí)延大和不利于管理等因素，本文將PEGASIS和LEACH-energy分簇算法相結(jié)合，推導(dǎo)出的另一算法APLe，體現(xiàn)了彼此利于管理和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型建立、算法假設(shè)

該算法假設(shè)與LEACH-energy相同，除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可感知自身位置信息外，設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，彼此隨機(jī)地分布于M×M的正形區(qū)域中間，且傳感器節(jié)點(diǎn)有下列性質(zhì)：①網(wǎng)絡(luò)中基站節(jié)點(diǎn)（Sink）固定，能源充足，距離傳感器節(jié)點(diǎn)均較遠(yuǎn)。②網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且總有數(shù)據(jù)要傳輸，能感知其剩余節(jié)點(diǎn)能量。③網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接與基站（Sink節(jié)點(diǎn)）通信，通信結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

2 對(duì)topology算法簡(jiǎn)介

該算法結(jié)合LEACH的特點(diǎn)，每周期按輪選取簇首，利用LEACH-energy選擇簇首的方法形成相應(yīng)的簇后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)能耗最小的原則，選取PEGASIS的鏈?zhǔn)交蛘週EACH星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 選舉簇首。簇首的選擇同LEACH-energy，每節(jié)點(diǎn)生成一隨機(jī)數(shù)值，與式子中的閾值進(jìn)行大小比較，使小于的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)。

2.2 簇中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確立。簇首節(jié)點(diǎn)通過ADV廣播通知網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)從屬于接受到最強(qiáng)信號(hào)的簇首，形成簇的建立。

簇首和其它普通節(jié)點(diǎn)在通訊過程中附帶自身地理信息，使

節(jié)點(diǎn)彼此知道相應(yīng)的位子。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在收發(fā)大小均等信息發(fā)出

時(shí)，算出簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分別采取PEGASIS和LEACH的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，分別產(chǎn)生的能量損耗值Ep和El，按能耗最小原則采用相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送消息的能耗，跟無線通信中的距離、環(huán)境和數(shù)據(jù)包有關(guān)，對(duì)應(yīng)表達(dá)式為：

[（1）]

式（1）中，為傳輸中數(shù)據(jù)包損耗的能量，與成正比，設(shè)為數(shù)據(jù)包的值，單位bit;為處理獨(dú)個(gè)信號(hào)的能耗;為傳輸中發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包能耗，其跟環(huán)境、數(shù)據(jù)包值、傳輸距離d均有關(guān);為多經(jīng)傳播和自由空間傳播的臨離，若，，為在自由空間中傳播所耗功率，β傳輸?shù)膿p耗因子，其值為2;若，，為在多經(jīng)傳播途中所耗功率，β值為4。

接收信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能耗為：

（2）

式（2）中，為處理數(shù)據(jù)包時(shí)接收機(jī)能耗，跟距離d無關(guān);是單個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生的能耗。

若采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的能耗為：

（3）

若采用星型結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收信息的能耗為：

（4）

把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果EP和El傳送于簇首，比較EP、El值，若El較小，簇中將用星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若EP較小，簇中將用鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。

簇首廣播通知簇內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)淖罴逊桨福粲肞EGASIS結(jié)構(gòu)則告知普通節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行碼字分配，若用LEACH-energy結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行CDMA碼字和TDMA時(shí)隙。

2.3 通信階段。若采用PEGASIS結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按鏈末節(jié)點(diǎn)一直傳送到最后簇首節(jié)點(diǎn)，每級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合;若用LEACH-energy結(jié)構(gòu)，用TDMA的多址方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

最后，網(wǎng)絡(luò)中的所有簇首節(jié)點(diǎn)把融合的數(shù)據(jù)傳給Sink節(jié)點(diǎn)。

3 APLe算法分析

3.1 節(jié)點(diǎn)發(fā)送接受信號(hào)的能耗為式（1）和式（2），其與通信的距離、環(huán)境和數(shù)據(jù)包有關(guān)。

3.2 性能分析。本文APLe的算法結(jié)合了PEGASIS和LEACH-energy算法的優(yōu)點(diǎn)，按LEACH-energy的方式選簇首，形成相應(yīng)的簇。再根據(jù)能量最小原則采用相應(yīng)的簇內(nèi)結(jié)構(gòu)，這樣打斷了PEGASIS因長(zhǎng)鏈存在時(shí)延的缺陷，簇首根據(jù)LEACH-energy多跳和單跳的通信方式將信息傳送給接受終端，達(dá)到減低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量損耗延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命的目的。

4 算法仿真設(shè)置

4.1 設(shè)置參數(shù)。在仿真中過程中， 設(shè)20s為每輪工作時(shí)間，設(shè)定2s為成簇階段，其中每1秒為一幀，設(shè)置18s為傳輸數(shù)據(jù)階段。Eelec為電氣能耗參數(shù)，其取決于信號(hào)的調(diào)制和數(shù)據(jù)編碼方式，亦取決于擴(kuò)頻和濾波特性; 和為傳輸信號(hào)能耗參數(shù)，其取決于系統(tǒng)誤比特率和收發(fā)端距離;數(shù)據(jù)融合耗能為EDA。

4.2 仿真結(jié)果與分析。根據(jù)結(jié)果顯示出了節(jié)點(diǎn)分別攜帶1J和2J初始能量隨時(shí)間變化的過程。APLe與LEACH和LEACH-energy算法相比，APLe網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)死亡速度最慢，延遲時(shí)間最長(zhǎng)。由于節(jié)點(diǎn)攜帶初始能量為2J，僅算法的執(zhí)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)一些。

5 本章小結(jié)

這里介紹的APLe算法分別體現(xiàn)了PEGASIS的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)低能耗的優(yōu)點(diǎn)，又體現(xiàn)了LEACH-energy分簇算法便于管理和低延時(shí)的特點(diǎn)，用過OPNET對(duì)該算法進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)表明了APLe路由協(xié)議具有時(shí)延小、能耗低，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)便于管理的優(yōu)點(diǎn)。

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