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 PEGASIS&LEACH-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PEGSIS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。

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，設网络中存在N个传感器节点，彼此随机地分布于M×M的正形区域中间，且传感器节点有下列性质：①网络中基站节点（Sink）固定，能源充足，距离传感器节点均较远。②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。③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，与式子中的阈值进行大小比较，使小于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）]

式（1）中，为传输中数据包损耗的能量，与成正比，设为数据包的值，单位bit;为处理独个信号的能耗;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;为多经传播和自由空间传播的临离，若，，为在自由空间中传播所耗功率，β传输的损耗因子，其值为2;若，，为在多经传播途中所耗功率，β值为4。

接收信号时，节点的能耗为：

（2）

式（2）中，为处理数据包时接收机能耗，跟距离d无关;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：

（3）

若采用星型结构，簇内节点收信息的能耗为：

（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據编码方式，亦取决于扩频和滤波特性; 和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：

[1]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.

[2]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.

[3]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.