王海浪，張玲華，2

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，南京 210023；2.南京郵電大學(xué) 江蘇省通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工程研究中心，南京 210023）

0 概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）［1］是一種由數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織而成的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)把數(shù)據(jù)發(fā)送給具有信息處理功能的基站（Base Station，BS）完成信息采集，WSN 可以用于軍事行動(dòng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域［2-3］。傳感器節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)信息采集功能，需要在信息采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳遞等過(guò)程中消耗節(jié)點(diǎn)自身的能量，但是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境復(fù)雜性和節(jié)點(diǎn)數(shù)目的龐大性，決定了其不可能在為部署之后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次充能和節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)充［4］，因此傳感器系統(tǒng)的能量會(huì)逐漸耗盡，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最終將走向死亡。因此，如何促進(jìn)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡從延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題［5］。

由于節(jié)點(diǎn)能量和網(wǎng)絡(luò)通信能力的限制，如果讓所有節(jié)點(diǎn)均和基站直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)急劇衰耗，并且會(huì)在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，使延時(shí)增大。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員提出分簇的思想。低能量自適應(yīng)分層分簇（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）協(xié)議［6-7］從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取一定數(shù)目的簇頭進(jìn)行信息整合和發(fā)送，從而減少節(jié)點(diǎn)損耗，但是當(dāng)距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭時(shí)會(huì)造成節(jié)點(diǎn)提前死亡。傳感器信息系統(tǒng)能量高效聚集（Power-Efficient Gathering in Sensor Information System，PEGASIS）協(xié)議［8-10］減少了LEACH 協(xié)議中頻繁的簇頭選舉所帶來(lái)的能量損耗，采用輪流當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延較大，當(dāng)出現(xiàn)傳輸信息的方向和基站位置相反的情況時(shí)，會(huì)額外增加能耗。文獻(xiàn)［11］提出EPEGASIS 協(xié)議，提出移動(dòng)匯聚技術(shù)并通過(guò)設(shè)置多個(gè)閾值來(lái)保護(hù)即將死亡的節(jié)點(diǎn)，平衡了節(jié)點(diǎn)間的能量消耗，緩解了因靠近基站的節(jié)點(diǎn)在接收鄰居節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的熱點(diǎn)問(wèn)題。但在實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)容易受到環(huán)境因素的影響。文獻(xiàn)［12］提出改進(jìn)的HCTRP-PEGASIS 路由協(xié)議，在成鏈階段綜合傳感器的通信半徑、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)周?chē)芏鹊纫蛩剡M(jìn)行鏈的建立，可以產(chǎn)生較少的數(shù)據(jù)冗余和較低能耗的傳輸鏈，但有較大的通信延遲。文獻(xiàn)［13］提出能量有效鏈形成算法解決經(jīng)典PEGASIS 協(xié)議貪婪算法中由于某些節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸所導(dǎo)致的能量消耗不平衡問(wèn)題，可以避免長(zhǎng)鏈的產(chǎn)生，但同樣沒(méi)有解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較長(zhǎng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)［14］提出新型簇頭選舉方式（PEGASIS Novel-Select-Head，PEGASISNSH）的改進(jìn)協(xié)議，該協(xié)議始終優(yōu)先選取距離基站最近的節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)，直至當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)死亡才開(kāi)始下一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)的選取，選取頭節(jié)點(diǎn)的策略相對(duì)簡(jiǎn)單，但沒(méi)有很好地均衡能量和降低網(wǎng)絡(luò)延遲。

在融合LEACH 協(xié)議中多個(gè)簇頭思想的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于PEGASIS 的剩余能量距離分 區(qū)（Residual Energy Distance Partition，REDP）協(xié)議，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、節(jié)點(diǎn)到基站的距離、各區(qū)域平均能量等多個(gè)影響因素作為網(wǎng)絡(luò)中頭節(jié)點(diǎn)選取條件，從而減少頭節(jié)點(diǎn)的更換次數(shù)。此 外，對(duì)LEACH協(xié)議、PEGASIS協(xié)議、PEGASISNSH 協(xié)議［14］與本文協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，證明本文協(xié)議的有效性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

基于網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)WSN 做如下的設(shè)定［15］：

1）所有的節(jié)點(diǎn)除了有可以區(qū)分自身和其他節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)之外，其他屬性如初始能量、數(shù)據(jù)融合能力、通信計(jì)算能力等完全相同。

2）節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的位置或者節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)大小確定節(jié)點(diǎn)之間的間距和位置信息。

3）在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行前，在各個(gè)區(qū)域隨機(jī)地部署傳感器節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)部署后的位置不會(huì)改變。

4）基站位于網(wǎng)絡(luò)中心，具有穩(wěn)定的能量供應(yīng)，但是其余的節(jié)點(diǎn)能量有限，不能二次充能。

基于以上設(shè)定，本文網(wǎng)絡(luò)模型如圖1 所示。

圖1 本文網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Network model in this paper

1.2 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

本文所有協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗模型均采用一階無(wú)線電能耗模型［16-17］，網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的能量損耗模型如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)能耗模型Fig.2 Node energy consumption model

從圖2 可以看出節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能量消耗過(guò)程，其中Eelec為節(jié)點(diǎn)在接收或者發(fā)送每比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)消耗的能量，ETX和ERX分別代表發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包所需要的能量消耗，Ed代表數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的能量損耗，如式（1）所示，根據(jù)傳輸路徑的不同，節(jié)點(diǎn)能耗模型分為多徑衰落模型和自由空間模型，當(dāng)傳輸距離小于閾值d0時(shí)為自由空間模型，反之為多徑衰落模型。

其中：εfs和εamp分別代表自由空間模型和多徑衰落模型中的能量損耗因子。在計(jì)算傳輸過(guò)程中的能耗時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離采取不同的能耗策略，其中d0的計(jì)算公式如式（2）所示：

對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)除了在發(fā)送和接收信號(hào)時(shí)消耗能量，還需要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將接收的數(shù)據(jù)包融合為相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)融合一個(gè)長(zhǎng)度為Kb 的數(shù)據(jù)包所消耗的能量EDA的表達(dá)式如式（3）所示：

其中：Eda代表每比特的數(shù)據(jù)融合所消耗的能量。

結(jié)合PEGASIS 協(xié)議在傳輸過(guò)程中的特點(diǎn)，除了鏈中末端的節(jié)點(diǎn)之外，所有的節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎辽? 個(gè)過(guò)程，因此每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在完成每一輪傳輸過(guò)程時(shí)需要消耗的總能量E(i)如式（4）和式（5）所示，其中式（5）是結(jié)合式（1）、式（3）和式（4）所得。

2 經(jīng)典PEGASIS 協(xié)議

2.1 PEGASIS 協(xié)議原理

PEGASIS 協(xié)議是一種基于鏈狀結(jié)構(gòu)的路由傳輸協(xié)議，是對(duì)經(jīng)典LEACH 協(xié)議的改進(jìn)。此協(xié)議包含鏈的形成階段、頭節(jié)點(diǎn)的選取階段和數(shù)據(jù)傳輸階段3 個(gè)階段［18］，最后由本輪所選取的頭節(jié)點(diǎn)將本網(wǎng)絡(luò)的所有信息傳遞給基站，完成一輪數(shù)據(jù)采集［19］。

2.2 鏈的形成階段

PEGASIS 協(xié)議在將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)成鏈時(shí)，為保證每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離最小，總是從距離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始形成鏈［20］。采用貪心算法，將找到所有存活節(jié)點(diǎn)中距離當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)串起所有存活的節(jié)點(diǎn)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，鏈的形成階段結(jié)束。

2.3 頭節(jié)點(diǎn)的選取階段

PEGASIS 協(xié)議中頭節(jié)點(diǎn)的選取策略是將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)編號(hào)輪流當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)，在第i輪時(shí)，當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為imodn［21］。采用這種選取策略可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會(huì)當(dāng)選為頭節(jié)點(diǎn)［22］，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)能量的均衡消耗。

如圖3 所示為經(jīng)典的PEGASIS 協(xié)議在第1 輪時(shí)網(wǎng)絡(luò)成鏈的示意圖，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地部署在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，BS 位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，從圖3 可以看出從距離基站最遠(yuǎn)的34 號(hào)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始成鏈，到47 號(hào)節(jié)點(diǎn)結(jié)束，并且在第1 輪時(shí)所選取的頭節(jié)點(diǎn)正是編號(hào)為1 的節(jié)點(diǎn)。

圖3 PEGASIS 協(xié)議第1 輪網(wǎng)絡(luò)成鏈圖（節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=100）Fig.3 Network forming chain diagram of PEGASIS protocol in the first round（total number of nodes n=100）

2.4 數(shù)據(jù)傳輸階段

PEGASIS 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸階段采用Token（令牌）控制機(jī)制［23-24］，如圖4 所示，網(wǎng)絡(luò)中存在6 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，編號(hào)分別為N1、N2、N3、N4、N5、N6。假設(shè)在當(dāng)前輪N4 為頭節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)頭節(jié)點(diǎn)N4 把Token 沿著鏈傳遞給鏈的末尾N1，N1 將含有本節(jié)點(diǎn)采集信息的數(shù)據(jù)包傳遞給N2，N2在接收數(shù)據(jù)之后結(jié)合自身采集的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成一個(gè)相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，然后按照相同流程經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)N3 傳遞給頭節(jié)點(diǎn)N4，此時(shí)頭節(jié)點(diǎn)又將Token 傳遞給N6，然后按照相同的流程把數(shù)據(jù)包傳遞給頭節(jié)點(diǎn)N4，N4將數(shù)據(jù)包進(jìn)行融合后發(fā)送給基站，本輪的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

圖4 PEGASIS 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程Fig.4 Process of PEGASIS protocol data transmission

3 PEGASIS-REDP 協(xié)議

傳統(tǒng)的PEGASIS 協(xié)議采用輪流方式當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有綜合頭節(jié)點(diǎn)距離基站的距離和頭節(jié)點(diǎn)剩余的能量問(wèn)題，因此會(huì)在傳遞信息的過(guò)程中出現(xiàn)部分剩余能量較少或者距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象，造成能耗增加。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)經(jīng)典協(xié)議對(duì)PEGASIS-REDP 協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 區(qū)域劃分

雖然在經(jīng)典的PEGASIS 協(xié)議成鏈過(guò)程中，通常采用貪心算法尋找最近的節(jié)點(diǎn)成鏈，但結(jié)果也有差鏈和優(yōu)鏈之分［25］，如圖3 中的17 號(hào)和61 號(hào)節(jié)點(diǎn)即是利用貪心算法形成的差鏈。經(jīng)過(guò)多次仿真結(jié)果分析可知，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域越大，就越容易在成鏈的過(guò)程中產(chǎn)生差鏈。為避免出現(xiàn)2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離過(guò)大的差鏈情況發(fā)生，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，縮短成鏈過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間的距離。

分區(qū)分為均勻分區(qū)和非均勻分區(qū)，非均勻分區(qū)類(lèi)似于LEACH 協(xié)議中的分簇［26］，普通節(jié)點(diǎn)只根據(jù)與簇頭的距離遠(yuǎn)近情況選取距離最近的簇頭并加入網(wǎng)絡(luò)中，但當(dāng)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目會(huì)急劇增加，導(dǎo)致出現(xiàn)頭節(jié)點(diǎn)的能耗加快、節(jié)點(diǎn)提前死亡的問(wèn)題。均勻分區(qū)可以很好地解決因?yàn)榇貎?nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多而造成節(jié)點(diǎn)提前死亡的問(wèn)題，在每一個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同數(shù)目的節(jié)點(diǎn)，從而保證區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布時(shí)節(jié)點(diǎn)密度相同，以均衡能耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間。

因此，PEGASIS-REDP 協(xié)議提出對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行均勻分區(qū)，并且采用將每個(gè)區(qū)域單獨(dú)成鏈的策略，縮短在差鏈形成時(shí)節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而減少傳輸能耗。

3.2 剩余能量和距離因子

PEGASIS-REDP 協(xié)議在區(qū)域內(nèi)選取頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，不再采取輪流當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)的方式，而是綜合考慮節(jié)點(diǎn)距離基站的距離d、節(jié)點(diǎn)剩余能量Ei、區(qū)域內(nèi)平均能量Eavg等因素。Eavg的表達(dá)式如式（6）所示：

其中：Eij表示在第j個(gè)區(qū)域內(nèi)編號(hào)為i的節(jié)點(diǎn)能量；mj表示第j個(gè)區(qū)域內(nèi)存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

在選取頭節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，總是從距離基站最近的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始當(dāng)選頭節(jié)點(diǎn)，不會(huì)頻繁地在每一輪中更換頭節(jié)點(diǎn)，且只有當(dāng)前輪頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量滿足更換條件時(shí)才更換頭節(jié)點(diǎn)。因此可以保證在頭節(jié)點(diǎn)能量剩余的情況下，始終距離基站最近。如圖5 所示是在第1 輪時(shí)采用PEGASIS-REDP 協(xié)議分區(qū)成鏈的示意圖，其中6 號(hào)、50 號(hào)、69號(hào)和97 號(hào)這4 個(gè)節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫嚯x基站最近，所以在第1 輪中被選取為每一個(gè)區(qū)域的頭節(jié)點(diǎn)。

圖5 PEGASIS-REDP 協(xié)議第1 輪網(wǎng)絡(luò)成鏈圖（節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=100）Fig.5 Network forming chain diagram of PEGASIS-REDP protocol in the first round（total number of nodes n=100）

圖6 和圖7 分別是在同一網(wǎng)絡(luò)部署條件下采用PEGASIS-REDP 協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到第1 000 輪和第1 100 輪的網(wǎng)絡(luò)成鏈圖。

圖6 PEGASIS-REDP 協(xié)議第1 000 輪網(wǎng)絡(luò)成鏈圖（節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=100）Fig.6 Network forming chain diagram of PEGASIS-REDP protocol in the 1 000th round（total number of nodes n=100）

圖7 PEGASIS-REDP 協(xié)議第1 100 輪網(wǎng)絡(luò)成鏈圖（節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=100）Fig.7 Network diagram of PEGASIS-REDP protocol in the 1 100th round（total number of nodes n=100）

由圖5～圖7 可對(duì)比分析得出：

1）每一輪均會(huì)重新組鏈，但有些節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而死亡時(shí)就不再參與到網(wǎng)絡(luò)成鏈中。

2）當(dāng)前一輪的頭節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前輪不滿足能量因子要求時(shí)，會(huì)重新進(jìn)行頭節(jié)點(diǎn)的選取，但是選取時(shí)仍然是選取距離基站較近的節(jié)點(diǎn)。

因此，可以從頭節(jié)點(diǎn)到基站的傳輸距離上達(dá)到降低傳輸能耗的目的。

3.3 PEGASIS-REDP 協(xié)議流程

PEGASIS-REDP 協(xié)議流程如下：

1）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，在每個(gè)區(qū)隨機(jī)部署等量的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始能量賦值；

2）基站向全網(wǎng)廣播信息，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接收信息，計(jì)算并記錄自身與基站的距離；

3）統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)存活的節(jié)點(diǎn)和剩余能量；

4）將每個(gè)區(qū)內(nèi)存活的節(jié)點(diǎn)成鏈，并記錄節(jié)點(diǎn)順序和節(jié)點(diǎn)之間的距離；

5）找出距離基站最近的節(jié)點(diǎn)并將其作為頭節(jié)點(diǎn)，判斷節(jié)點(diǎn)是否滿足能量閾值和剩余能量的條件，如果滿足條件則確定為當(dāng)前輪的頭節(jié)點(diǎn)，如果不滿足則找到距離基站次近的節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)；

6）開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收數(shù)據(jù)包時(shí)的能耗計(jì)算；

7）一輪完成，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)剩余能量和存活的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

8）若網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)未全部死亡，則返回第3 步，若網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)死亡則結(jié)束。

PEGASIS-REDP 協(xié)議流程如圖8 所示。

圖8 PEGASIS-REDP 協(xié)議流程Fig.8 Procedure of PEGASIS-REDP protocol

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文在MATLAB 2018a 平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由于PEGASIS 協(xié)議是在LEACH 基礎(chǔ)上的改進(jìn)，且PEGASIS-REDP也融合了LEACH 協(xié)議中多簇頭的思想，因此本文對(duì)LEACH、PEGASIS、PEGASIS-NSH、PEGASIS-REDP 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及網(wǎng)絡(luò)延遲方面進(jìn)行分析和比較，網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置Table 1 Network parameter settings

4.1 網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)比

PEGASIS-REDP 協(xié)議采用了分區(qū)策略，分區(qū)后每個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)于PEGASIS 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目大大減少，在不同區(qū)域內(nèi)可以單獨(dú)完成信息采集，將結(jié)果單獨(dú)傳輸給基站。因此采用分區(qū)可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題。

由網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型可知，節(jié)點(diǎn)處理信息能力相同，設(shè)2 個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)發(fā)送所消耗的總時(shí)間為ti，則PEGASIS 協(xié)議一輪數(shù)據(jù)傳輸總耗時(shí)TP的表達(dá)式如式（7）所示：

PEGASIS-REDP 協(xié)議一輪數(shù)據(jù)傳輸總耗時(shí)TREDP表達(dá)式如式（8）所示：

其中：j表示劃分區(qū)域的數(shù)目。

假設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳遞數(shù)據(jù)包過(guò)程中節(jié)點(diǎn)在接收、融合和發(fā)送過(guò)程共需要1 ms。由圖9 可以看出，相比于PEGASIS 協(xié)議傳遞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包的延遲時(shí)間，PEGASIS-REDP 協(xié)議將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間減少了約300%。這是因?yàn)镻EGASIS-REDP 協(xié)議采用的是將整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)的策略，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，數(shù)據(jù)包可以在各個(gè)區(qū)內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行信息傳遞并發(fā)送給基站，所以PEGASIS-REDP協(xié)議可以很好地改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲。在實(shí)現(xiàn)成本方面，雖然與經(jīng)典的PEGASIS 協(xié)議相比，PEGASIS-REDP 協(xié)議多出3 個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，但是網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)會(huì)減少3 個(gè)，且PEGASISREDP協(xié)議中每一次區(qū)域內(nèi)頭節(jié)點(diǎn)的選取均是選擇距離基站最近的節(jié)點(diǎn)，可以在傳輸數(shù)據(jù)包的同時(shí)將能量損耗達(dá)到最小。

圖9 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)比Fig.9 Comparison of network delay

4.2 網(wǎng)絡(luò)剩余能量對(duì)比

經(jīng)典協(xié)議PEGASIS 在每一輪都會(huì)進(jìn)行頭節(jié)點(diǎn)的更換，PEGASIS-REDP 協(xié)議相比于經(jīng)典協(xié)議引入了距離因子dmin、最小能量閾值Emin和剩余能量因子Ei，只有在滿足更換條件時(shí)才進(jìn)行頭節(jié)點(diǎn)的更換，不會(huì)頻繁更換頭節(jié)點(diǎn)，且只選擇距離基站最近的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸信息，因此可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。

不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)剩余能量隨輪數(shù)變化情況如圖10 所示。從圖10 中可以看出PEGASIS-REDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)剩余能量始終優(yōu)于LEACH 協(xié)議、PEGASIS 協(xié)議和PEGASIS-NSH 協(xié)議。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)能耗為50%時(shí)，LEACH、PEGASIS 和PEGASIS-NSH 協(xié)議分別運(yùn)行了281 輪、484輪和498 輪，而PEGASISREDP 協(xié)議運(yùn)行了525 輪，相比于這3 種協(xié)議分別延遲了86.8%、8.5%和5.4%。當(dāng)能量消耗為90%時(shí)，LEACH、PEGASIS和PEGASIS-NSH 協(xié)議分別運(yùn)行了601 輪、926 輪和940 輪，PEGASIS-REDP 運(yùn)行了988 輪，相比于其他3個(gè)協(xié)議分別延遲了64.4%、6.7%和5.1%。

圖10 不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)剩余能量Fig.10 Network residual energy of different protocols

綜合以上可知，PEGASIS-REDP 協(xié)議在均衡網(wǎng)絡(luò)能量方面要優(yōu)于LEACH、PEGASIS 和PEGASIS-NSH協(xié)議，這是因?yàn)镻EGASIS-REDP 協(xié)議在選取頭節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，不會(huì)頻繁更換頭節(jié)點(diǎn)，且引入了最小能量閾值和剩余能量作為頭節(jié)點(diǎn)的更換條件，從而均衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

4.3 存活節(jié)點(diǎn)對(duì)比

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)并取平均值，4 種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)關(guān)系如圖11 和表2 所示。

圖11 不同協(xié)議的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)隨輪數(shù)的變化Fig.11 Variation of the number of surviving nodes with the number of rounds of different protocols

表2 不同協(xié)議在相同死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)運(yùn)行的輪數(shù)Table 2 Number of rounds of different protocols running at the same number of dead nodes

從圖11 可以看出，PEGASIS-REDP 協(xié)議在相同輪數(shù)下存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)始終多于其他協(xié)議。對(duì)表2 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到：PEGASIS-REDP 協(xié)議在第10 個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)運(yùn)行了864 輪，相比于LEACH 協(xié)議的350 輪、PEGASIS 協(xié)議的563輪和PEGASIS-NSH 協(xié)議 的585 輪分別延遲了147%、53.5% 和47.7%；PEGASIS-REDP 協(xié)議在20%節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)為1 010 輪，相比于LEACH 協(xié)議的418 輪、PEGASIS 協(xié)議的735輪和PEGASIS-NSH 協(xié)議的751 輪，分別延遲了141.6%、37.4%和34.5%。由圖10 可以看出，當(dāng)有50%節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)剩余的能量已經(jīng)不足95%，因此本文以50%節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)的輪數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，此時(shí)PEGASIS-REDP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期為1 115 輪，相比于LEACH 協(xié)議的602 輪、PEGASIS 協(xié)議的932輪和PEGASIS-NSH 協(xié)議的983 輪，分別延遲了85.2%、19.6%和13.4%。

綜上所述，PEGASIS-REDP 協(xié)議在延遲節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間上優(yōu)于LEACH 協(xié)議、PEGASIS 協(xié)議和PEGASIS-NSH 協(xié)議。這是因?yàn)镻EGASIS-REDP 協(xié)議采用分區(qū)策略，每次頭節(jié)點(diǎn)的選取總是選擇在節(jié)點(diǎn)能量滿足要求的前提下，并選擇距離基站最近的節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，很好地均衡了距離基站的距離和節(jié)點(diǎn)剩余的能量，因此可以有效延遲節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)經(jīng)典的PEGASIS 協(xié)議存在的問(wèn)題提出PEGASIS-REDP 協(xié)議，通過(guò)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，并選取多個(gè)頭節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在每個(gè)區(qū)域采用優(yōu)先尋找距離基站最近的節(jié)點(diǎn)作為頭節(jié)點(diǎn)的策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與LEACH、PEGASIS、PEGASIS-NSH 協(xié)議相比，PEGASIS-REDP 協(xié)議可以有效減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延遲節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。雖然在成鏈階段依靠分區(qū)縮小網(wǎng)絡(luò)范圍縮短了差鏈形成的距離，但仍然可能出現(xiàn)差鏈的情況。下一步將設(shè)置距離閾值因子，利用貪心算法尋找下一個(gè)距離當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)間的距離大于所設(shè)定的距離閾值時(shí)，則重新尋找鄰居節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)成鏈過(guò)程中的差鏈進(jìn)行優(yōu)化。