面向PEGASIS協(xié)議的節(jié)點(diǎn)分簇集群優(yōu)化方法研究

徐萬一, 王 軍, 劉一玨, 蘆 賀

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是分散在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，按照既定的路由協(xié)議，通過無線通信方式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)間能夠進(jìn)行有效自主的數(shù)據(jù)通信[1].隨著計(jì)算硬件成本的下降以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、軍事等領(lǐng)域，它在本世紀(jì)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(diǎn)[2].通常傳感器節(jié)點(diǎn)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[3].因此，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，提高節(jié)點(diǎn)的能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期和生存時(shí)間至關(guān)重要.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的無線通信消耗了大部分的能量[4],距離越遠(yuǎn)，通信消耗能量越大，如何讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在有限的能量下傳輸更多的數(shù)據(jù)成為衡量路由算法的一個(gè)重要指標(biāo).本文提出一個(gè)基于PEGASIS的改進(jìn)的分簇聚類路由協(xié)議[5]，采用分區(qū)域的聚類算法進(jìn)行成鏈；根據(jù)鏈頭結(jié)點(diǎn)的能量在此鏈總能量的占比來決定鏈頭節(jié)點(diǎn)的重選頻率.理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的協(xié)議在有效節(jié)能和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期方面比PEGASIS協(xié)議做得更好.

1 PEGASIS相關(guān)研究

PEGASIS協(xié)議[6]采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器的連接，是對(duì)LEACH在節(jié)能思想上的改進(jìn)，與LEACH協(xié)議的多簇結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法不同.傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議采用分簇和按輪次循環(huán)選擇簇頭，是基于低功耗自適應(yīng)分簇算法；PEGASIS協(xié)議采用與最近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的鏈狀結(jié)構(gòu)，是基于PEGASIS的算法.PEGASIS算法根本思想是采用貪心算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇，從外到內(nèi)做局部最優(yōu)選擇，最終形成鏈狀結(jié)構(gòu).通訊階段，傳感器節(jié)點(diǎn)只與距離最近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，除了鏈尾節(jié)點(diǎn)外，其余的節(jié)點(diǎn)都將其他結(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)與自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后再發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)向基站傳送數(shù)據(jù).鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)不是固定的，節(jié)點(diǎn)依次當(dāng)選鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)并與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信后，再重新以第一次當(dāng)選鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為鏈?zhǔn)祝_始下一次輪詢.這種輪流通信機(jī)制能使網(wǎng)絡(luò)中能量消耗合理地分布到每個(gè)節(jié)點(diǎn).其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 PEGASIS結(jié)構(gòu)Fig.1 PEGASIS structure

對(duì)比傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議，PEGASIS協(xié)議減小了簇重構(gòu)過程中的能量消耗，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合減少了發(fā)送相同信息的數(shù)量，降低了發(fā)送的次數(shù)，但其缺點(diǎn)如下[7]：

(1) 數(shù)據(jù)會(huì)因傳輸距離過長(zhǎng)而花費(fèi)更多時(shí)間，導(dǎo)致傳輸延遲過大，不適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境；

(2) 鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)唯一會(huì)限定數(shù)據(jù)的傳輸量，而且一旦鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)受影響；

(3) 協(xié)議不用進(jìn)行分簇，減少了分簇的開銷，但節(jié)點(diǎn)需要感知鄰節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，通過鄰節(jié)點(diǎn)依次傳輸數(shù)據(jù)，仍需要根據(jù)鄰節(jié)點(diǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，消耗更多的能量.

所以PEGASIS協(xié)議自從提出之后一直被廣泛研究.文獻(xiàn)[8]在研究PEGASIS協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了EECB協(xié)議，此協(xié)議在鏈?zhǔn)椎倪x擇階段將距基站的距離與節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行綜合考慮，設(shè)置了能量閾值，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，但在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面的問題還沒有解決.文獻(xiàn)[9]將LEACH與PEGASIS進(jìn)行了融合，提出一種改進(jìn)的協(xié)議，將LEACH的簇頭選擇與PEGASIS的單跳通信結(jié)合，減少了通信的延遲，但還存在長(zhǎng)鏈.文獻(xiàn)[10]提出一種新型帶樹幾何算法，該算法通過樹結(jié)構(gòu)解決了長(zhǎng)鏈的問題.在研究PEGASIS協(xié)議基礎(chǔ)上，采用分層的思想，提出一種分層的路由協(xié)議HCRP，將基站與節(jié)點(diǎn)的距離作為參數(shù)，分為以基站為中心環(huán)形區(qū)域，然后構(gòu)建跨層的數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期.文獻(xiàn)[11]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(diǎn)間產(chǎn)生長(zhǎng)鏈，并且在主鏈的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了支鏈，該協(xié)議避免了長(zhǎng)鏈，提高了能量利用率.

本文在PEGASIS協(xié)議的基礎(chǔ)上采用區(qū)域的思想提出了一種先分區(qū)域再成鏈，最后鏈頭相連傳輸數(shù)據(jù)的分區(qū)路由協(xié)議.首先根據(jù)接收到的基站信號(hào)強(qiáng)度[12]對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)域，然后小范圍成鏈，最后各區(qū)域中選舉出鏈頭節(jié)點(diǎn)，其將數(shù)據(jù)傳送到基站.

2 協(xié)議相關(guān)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

以下為傳感器網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)：

(1) 所有傳感器節(jié)點(diǎn)完全相同，且可以與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；

(2) 傳感器節(jié)點(diǎn)和基站的位置是固定的；

(3) 在節(jié)點(diǎn)的可通信范圍內(nèi)，可以利用發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算與其他節(jié)點(diǎn)的距離；

(4) 節(jié)點(diǎn)可以對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合.

2.2 能耗模型

圖2是基本的硬件能耗模型.

圖2 硬件能耗模型Fig.2 Hardware consumption model

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所耗的能量占總能耗的比例最大.采用基本的無線通信能耗模型，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其能耗為[13]

(1)

式中:Eelec為節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收單位數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的電路能量,它的大小受信號(hào)的編碼方式、處理及傳播方式影響;l為要發(fā)送或接受的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(比特)；d為數(shù)據(jù)發(fā)送所經(jīng)過的有效距離，當(dāng)d

Erxl=lEelec.

(2)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以減少數(shù)據(jù)的冗余量，也會(huì)消耗一定的能量，但本文研究重點(diǎn)不在此.

3 改進(jìn)的PEGASIS路由協(xié)議

為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期和減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，在PEGASIS協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種新的協(xié)議PEGASIS-C.此協(xié)議由4部分組成：(1)分區(qū)域階段；(2)區(qū)域內(nèi)成鏈階段；(3)LEADER節(jié)點(diǎn)選取階段；(4)數(shù)據(jù)傳輸階段.

3.1 分區(qū)域階段

在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，PEGASIS-C協(xié)議中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)以下的步驟決定自己的區(qū)域.

(1)基站位置固定，位于監(jiān)測(cè)區(qū)域中心，這是網(wǎng)絡(luò)模型中所規(guī)定的，基站將整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域看成以自身為圓心的圓形區(qū)域，然后向網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息，告知網(wǎng)絡(luò)中心的位置，這樣確保網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)接收到廣播信息的強(qiáng)度，利用RSSI計(jì)算出與基站的距離，然后將自己的ID信息與基站的距離等信息反饋給基站.基站通過偵聽4個(gè)定向天線播報(bào)旋轉(zhuǎn)角度信息和節(jié)點(diǎn)返回的距離信息，利用基于方向的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位方法，通過正弦定理確定各節(jié)點(diǎn)位置信息.

(2)基站以自己為圓心將監(jiān)測(cè)區(qū)域分成子區(qū)域，如圖3所示.

以基站為中心，在同心圓維度按不同半徑分成L、M、N層次，按照直角坐標(biāo)系方向分成1、2、3、4區(qū)域，區(qū)域標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)1、L2、M1、M2等.然后基站根據(jù)接收到的節(jié)點(diǎn)的位置信息與距離計(jì)算得出各節(jié)點(diǎn)所屬的具體區(qū)域，并將節(jié)點(diǎn)ID與所屬的區(qū)域號(hào)一一對(duì)應(yīng)起來.

圖3 層次區(qū)域劃分Fig.3 Hierarchical division

(3)基站完成節(jié)點(diǎn)與區(qū)域的對(duì)應(yīng)后，會(huì)把各節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行廣播，讓節(jié)點(diǎn)知道自己所屬的區(qū)域.

這樣就形成了以基站為中心點(diǎn)的區(qū)域分簇層次模型.此區(qū)域的劃分不是一成不變的，可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境的不同，修改參數(shù)進(jìn)行定向調(diào)整.

另外，節(jié)點(diǎn)周圍沒有其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)所形成的區(qū)域中，不參與到成鏈過程中，成為孤立節(jié)點(diǎn)，直接與Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[14].

3.2 區(qū)域內(nèi)部成鏈階段

PEGASIS-C協(xié)議在分區(qū)域階段完成后，以每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)整體進(jìn)行成鏈操作.區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)會(huì)向通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，廣播消息中包含節(jié)點(diǎn)本身所處區(qū)域、node_ID和剩余能量等信息.如果節(jié)點(diǎn)接收到不屬于自己區(qū)域的信息，則會(huì)將其丟棄，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能知道周圍節(jié)點(diǎn)的區(qū)域號(hào)等信息.這樣在同區(qū)域內(nèi)，只存在相同區(qū)域號(hào)的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并形成鏈狀結(jié)構(gòu).這種分區(qū)域成鏈避免了整體成鏈在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)帶來的能量損耗，也可以避免長(zhǎng)鏈的產(chǎn)生.每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記：第一個(gè)標(biāo)記為同區(qū)域節(jié)點(diǎn)標(biāo)記，當(dāng)區(qū)域內(nèi)成鏈時(shí)，此標(biāo)記被設(shè)置成true；第二個(gè)標(biāo)記為異區(qū)域節(jié)點(diǎn)標(biāo)記，當(dāng)區(qū)域間節(jié)點(diǎn)成鏈時(shí)，此標(biāo)記為true.每個(gè)區(qū)域中，不同于經(jīng)典的PEGASIS協(xié)議成鏈規(guī)則，而是從一個(gè)區(qū)域邊界的自由節(jié)點(diǎn)V開始成鏈，首先節(jié)點(diǎn)V會(huì)向距離近的同區(qū)域節(jié)點(diǎn)發(fā)送Request信息，其中包含V節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息和請(qǐng)求成鏈信息，如果X滿足如下條件，將成為節(jié)點(diǎn)V的父節(jié)點(diǎn).

(1)節(jié)點(diǎn)X與節(jié)點(diǎn)V的區(qū)域號(hào)相同;

(2)同區(qū)域節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為false.

如果V節(jié)點(diǎn)想讓X節(jié)點(diǎn)成為自己的父節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)V會(huì)向節(jié)點(diǎn)X發(fā)送請(qǐng)求信息，節(jié)點(diǎn)X接收到請(qǐng)求信息后，確認(rèn)自身滿足以上提到的兩個(gè)條件，會(huì)向V節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息，則節(jié)點(diǎn)X就成為V節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)X的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記變?yōu)閠rue，至此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間形成了連接.重復(fù)以上步驟直至區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)形成鏈狀結(jié)構(gòu).網(wǎng)絡(luò)中所有區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按第二步的方式完成后，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 區(qū)域內(nèi)成鏈圖Fig.4 Intra-regionallinked graph

3.3 鏈頭Leader節(jié)點(diǎn)選擇和區(qū)域間成鏈階段

3.3.1 鏈頭選擇

PEGASIS-C算法首先在網(wǎng)絡(luò)最外層進(jìn)行鏈頭的選擇，其中L層是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的最外層，NL1為L(zhǎng)層1區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，所有節(jié)點(diǎn)被編號(hào)在[0～NL1]范圍內(nèi).該區(qū)域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在第i輪有1 %(NL1-i)的概率當(dāng)選為候選鏈頭，然后根據(jù)候選鏈頭的剩余能量與基站的距離來決定.

Ifrmod 2=1

μ=RAND(0，1)

Ifμ

bePrepareHead=true

End if

If bePrepareHead=true then

Broadcast Prepare_Message(ID，Area，E)

Else

Sleep

3.3.2 區(qū)域間成鏈

區(qū)域間成鏈過程如圖5所示.

圖5 區(qū)域間成鏈圖Fig.5 Inter-regionallinked graph

按照上面這種規(guī)則完成該區(qū)域鏈頭的選擇.當(dāng)該節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為鏈頭后，按照如下步驟區(qū)域間成鏈：

(1) 此鏈頭節(jié)點(diǎn)向它周圍的節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息告知此節(jié)點(diǎn)在第i輪當(dāng)選為L(zhǎng)1區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)，此區(qū)域的其他節(jié)點(diǎn)不做任何反應(yīng)，進(jìn)入休眠狀態(tài).

(2) M1區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接收到L1區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息后，將自己的剩余能量和位置信息返回給區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)，別的區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息后不返回信息，L1區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)對(duì)反饋信息進(jìn)行如下計(jì)算：

Q=E剩/d.

(3)

其中：E剩表示M1區(qū)域節(jié)點(diǎn)的剩余能量;d表示節(jié)點(diǎn)之間的距離；Q表示d與E剩的函數(shù).

(3) L1區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)接收到M1區(qū)域節(jié)點(diǎn)的剩余能量和位置信息后，將選擇剩余能量較高、距基站距離與距本節(jié)點(diǎn)距離平均值最小的節(jié)點(diǎn)作為M1區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)，并向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)Request消息請(qǐng)求.

(4) M1區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接收到來自L1區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求信息后，進(jìn)行異區(qū)域節(jié)點(diǎn)標(biāo)記的判斷，如果節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為false，則返回ACK確認(rèn)信息并聲明自己在第i輪當(dāng)選為M1區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，然后重復(fù)以上步驟來選取N1區(qū)域的節(jié)點(diǎn).

按照上述方法，最終形成區(qū)域間鏈頭相連接，距離基站最近的節(jié)點(diǎn)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終發(fā)送給基站.

3.4 數(shù)據(jù)傳輸階段

PEGASIS-C的數(shù)據(jù)傳輸階段類似于PEGASIS算法，在同區(qū)域內(nèi)，從兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)向LEADER節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)[15]，端節(jié)點(diǎn)將自己收集的信息沿著LEADER節(jié)點(diǎn)的方向傳遞給相鄰的節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)LEADER節(jié)點(diǎn)；LEADER節(jié)點(diǎn)收到信息后將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效數(shù)據(jù)融合[16]處理；然后參與區(qū)域間傳輸，區(qū)域間數(shù)據(jù)傳輸從外層向內(nèi)層依次傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳輸至基站，數(shù)據(jù)傳輸階段完成.

PEGASIS-C不是每輪過后都進(jìn)行鏈頭的選取，而是根據(jù)分區(qū)鏈頭結(jié)點(diǎn)的能量在此鏈總能量的占比來決定鏈頭節(jié)點(diǎn)的重選頻率.當(dāng)分區(qū)鏈頭節(jié)點(diǎn)的能量占比低于額定值時(shí)，則重新進(jìn)行鏈頭節(jié)點(diǎn)的選取，開始下一輪.

4 分 析

4.1 鏈形成與連通

傳統(tǒng)的PEGASIS協(xié)議采用鏈狀的路由結(jié)構(gòu)[17]，通過貪婪算法計(jì)算形成一條包含所有節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)鏈，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，并沿鏈向LEADER節(jié)點(diǎn)依次傳遞，LEADER節(jié)點(diǎn)最終將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，把數(shù)據(jù)傳送給基站.這種方式造成節(jié)點(diǎn)間形成長(zhǎng)鏈、距離LEADER節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)提早死亡等問題.而PEGASIS-C協(xié)議采用分層分區(qū)域成鏈的方法，每個(gè)區(qū)域根據(jù)剩余能量和與基站的距離選擇最適合的鏈頭節(jié)點(diǎn)，這樣確保了最終鏈?zhǔn)怯擅繉訝顟B(tài)最好的節(jié)點(diǎn)組成.

4.2 通信和存儲(chǔ)開銷

PEGASIS-C協(xié)議在區(qū)域內(nèi)成鏈階段，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)廣播信息給鄰居節(jié)點(diǎn)，這個(gè)廣播的復(fù)雜度為O(N).在PEGASIS-C最終鏈形成的過程中，每個(gè)區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)廣播信息給相鄰區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程的復(fù)雜度為O(M).此外，高區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)會(huì)向低區(qū)域的鏈頭節(jié)點(diǎn)返回額外的回復(fù)信息，這個(gè)過程的復(fù)雜度是O(M.n1)，M遠(yuǎn)小于N.如公式(4)所示.

Tn=O(N)+O(M.n1)=

(4)

式(4)表示PEGASIS協(xié)議通信過程的整體開銷，n1是L區(qū)域鏈頭節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量，NL是L區(qū)域節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，L屬于(0，M).

PEGASIS-C協(xié)議的通信復(fù)雜度相比PEGASIS沒有發(fā)生太大變化，但是整體性能提升了.

4.3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)估PEGASIS-C算法的性能，對(duì)本文協(xié)議與PEGASIS協(xié)議進(jìn)行仿真模擬比較.采用NS2運(yùn)行環(huán)境，表1總結(jié)了仿真環(huán)境中考慮的參數(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，鏈頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的能量忽略不計(jì)[18].

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters

圖6給出了PEGASIS、PEGASIS-C兩種協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的平均能耗的比較.從圖6中可以看出：PEGASIS-C協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的平均能耗明顯低于傳統(tǒng)的PEGASIS，并且隨著輪數(shù)的增加能耗比較穩(wěn)定.這是由于在PEGASIS-C區(qū)域間的鏈頭節(jié)點(diǎn)與BS基站間的距離更近了，而在PEGASIS中能耗波動(dòng)較大的原因是鏈頭節(jié)點(diǎn)與基站的距離隨著輪數(shù)的變化距離變化較大.

圖6 不同協(xié)議節(jié)點(diǎn)平均能量消耗對(duì)比Fig.6 Comparison of average energy consumption of nodes

圖7為兩種不同協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量的對(duì)比.

圖7 不同協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)比Fig.7 Comparison of number of surviving nodes

由圖7可以看出:隨著輪數(shù)的增加，PEGASIS-C協(xié)議存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量比PEGASIS協(xié)議更多.這是由于PEGASIS-C協(xié)議通過分區(qū)域避免了長(zhǎng)鏈的產(chǎn)生，降低了通信的開銷，從而使節(jié)點(diǎn)的剩余能量更高，增加了整體網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間.

5 結(jié) 論

提出了一種基于PEGASIS的節(jié)能同心分區(qū)協(xié)議——PEGASIS-C協(xié)議.該協(xié)議通過使用分區(qū)動(dòng)態(tài)鏈的方式增加了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t.首先，在外層分區(qū)域根據(jù)剩余能量和距離基站的距離選擇一個(gè)鏈頭節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)是分區(qū)的魯棒性最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)；然后，在相鄰內(nèi)層區(qū)域選擇剩余能量高且距離鏈頭節(jié)點(diǎn)與基站的平均距離小的節(jié)點(diǎn)；最終，沿基站方向成鏈.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出：PEGASIS-C協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比PEGASIS協(xié)議長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)消耗的能量更少，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的生命周期.