1、关于一种改进的无线传感器网络 PEGASIS的算法的研究 摘 要：当今的无线传感器网络成为世界关注的焦点，其大量组成的传感器节点在网络覆盖区域内，能感知和采集，并处理相关信息，传送到基站。由于其自身能量的限制，传感器网络消耗的能量大小成为关注的一个核心问题。对于该问题，本文通过改进的 LEACH-energy，以 LEACH 和PEGASIS 路由协议为基础，得出新的路由算法 APLe （ Adaptive PEGASISLEACH-energy）。 APLe 在簇内自适应地决定采用链式结构或是星形结构，既体现了 PEGASIS 和 LEACH-energy 在能耗方面的优势，又 弥补了PEG
2、SIS 时延的缺陷。通过理论和仿真实验论证，改进的 Figure 1 APLe topology 在网络中减低能耗、便于管理、延长生命周期有显著提高。 下载 关键词：无线传感器网络 ;路由技术 ;能量损耗 ;LEACH;PEGSIS 由于 PEGASIS 链中的节点没有分簇，导致链中节点时延大和不利于管理等因素，本文将 PEGASIS 和 LEACH-energy 分簇算法相结合，推导出的另一算法 APLe，体现了彼此利于管理和节能的优势。 1 网络模型建立、算法假设 该算法假设与 LEACH-energy相同，除网络中节点可感知自身位置信息外，设网络中存在 N 个传感器节点，彼此随机地分布于
3、 MM 的正形区域中间，且传感器节点有下列性质： 网络中基站节点（ Sink）固定，能源充足，距离传感器节点均较远。 网络中所有传感器节点同构且总有数据要传输，能感知其剩余节点能量。 网络中每个节点可直接与基站（ Sink 节点）通信，通信结构对称。 2 对 topology 算法简介 该算法结合 LEACH的特点，每周期按轮选取簇首，利用 LEACH-energy选择簇首的方法形成相应的簇后，簇 内节点根据簇内能耗最小的原则，选取PEGASIS 的链式或者 LEACH 星形拓扑结构。 2.1 选举簇首。簇首的选择同 LEACH-energy，每节点生成一随机数值，与式子 D： 123456中
4、小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-29775-1.jpg 中的阈值 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 2015101-297 75-1.jpg 进行大小比较，使小于 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-1.jpg 的节点成为簇首节点。 2.2 簇 中拓扑结构确立。簇首节点通过 ADV 广播通知网络中其它节点，其它节点从属于接受到最强信号的簇首，形成簇的建立。 簇首和其它普通节点在通讯过程中附带自身地理信息，使 节点彼此知道相应的位子。簇内节点在收发大小均等信息发出 时，算出簇内节点分别采取 PEGASIS 和 LEACH 的
5、拓扑结构时，分别产生的能量损耗值 Ep 和 El，按能耗最小原则采用相应的拓扑结构。 节点用于发送消息的能耗，跟无线通信中的距离、环境和数据包有关，对应表达式为： （ 1） D： 123456中小 企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-29775-2.jpgD： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-29775-2.jpg 式（ 1）中， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-2.jpg为传输中数据包损耗的能量，与 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-2.jpg成正比， D： 12
6、3456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-2.jpg 设为数据包的值，单位 bit;D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-2.jpg 为处理独个信号的能耗 ;D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 2015101-297 75-2.jpgD： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 2015101-297 75-2.jpg 为传输中发送每个数据包能耗，其跟环境、数据包值、传输距离 d 均有关 ;D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 2015101-297 75-2.jpg 为多经传播和自由空间传播的临离，
7、若 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-3.jpg， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-3.jpg， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-3.jpg 为在自由空间中传播所耗功率， 传输的损耗因子，其值为 2;若 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-4.jpg， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-4.jpg， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-
8、297 75-4.jpg 为在多经传播途中所耗功率， 值为 4。 接收信号时，节点的能耗为： D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-5.jpg（ 2） 式（ 2）中， D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-5.jpg 为处理数据包时接收机能耗，跟距离 d 无关 ;D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-5.jpg 是单个数据包进行数据融合产生的能耗。 若采用 链式结构，簇内节点收发信息的能耗为： D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 7
9、5-6.jpg（ 3） 若采用星型结构，簇内节点收信息的能耗为： D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-7.jpg（ 4） 把相应的计算结果 EP 和 El 传送于簇首，比较 EP、 El 值，若 El 较小，簇中将用星型的拓扑结构，若 EP 较小，簇中将用链式拓扑结构。 簇首广播通知簇内的其它节点传输的最佳方案，若用 PEGASIS 结 构则告知普通节点如何进行码字分配，若用 LEACH-energy结构，要进行 CDMA码字和 TDMA 时隙。 2.3 通信阶段。若采用 PEGASIS 结构，簇内节点按链末节点一直传送到最后簇首节点，每级进行数据融
10、合 ;若用 LEACH-energy 结构，用 TDMA 的多址方式进行数据传输。 最后，网络中的所有簇首节点把融合的数据传给 Sink 节点。 3 APLe 算法分析 3.1 节点发送接受信号的能耗为式（ 1）和式（ 2），其与通信的距离、环境和数据包有关。 3.2 性能分析 。本文 APLe 的算法结合了 PEGASIS 和 LEACH-energy 算法的优点，按 LEACH-energy 的方式选簇首，形成相应的簇。再根据能量最小原则采用相应的簇内结构，这样打断了 PEGASIS因长链存在时延的缺陷，簇首根据 LEACH-energy 多跳和单跳的通信方式将信息传送给接受终端，达到减低
11、整个网络能量损耗延长网络生命的目的。 4 算法仿真设置 4.1 设置参数。在仿真中过程中， 设 20s 为每轮工作时间，设定 2s 为成簇阶段，其中每 1 秒为一帧，设置 18s 为传输数据阶段。 Eelec 为电 气能耗参数，其取决于信号的调制和数据编码方式，亦取决于扩频和滤波特性 ;D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-8.jpg 和 D： 123456中小企业管理与科技 ?下旬刊 201510 1-297 75-8.jpg为传输信号能耗参数，其取决于系统误比特率和收发端距离 ;数据融合耗能为 EDA。 4.2 仿真结果与分析。根据结果显示出了节点
12、分别携带 1J 和 2J 初始能量随时间变化的过程。 APLe与 LEACH 和 LEACH-energy算法相比， APLe网络中节点死亡速度最慢 ，延迟时间最长。由于节点携带初始能量为 2J，仅算法的执行时间相对较长一些。 5 本章小结 这里介绍的 APLe算法分别体现了 PEGASIS的链式拓扑结构低能耗的优点，又体现了 LEACH-energy 分簇算法便于管理和低延时的特点，用过 OPNET 对该算法进行的仿真实验表明了 APLe 路由协议具有时延小、能耗低，簇内节点便于管理的优点。 参考文献： 马红艳 .对无线传感器网络的 LEACH算法的改进研究 J.人文社科论文，2014.11. 张少军 .无线传感器网络技术及 应用 M.北京：中国电力出版社， 2010. 王擎 .无线传感器网络路由技术研究 D：西安：西安电子科技大学电信学院， 2009.
