一種新的高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議

一種新的高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議林梅金;蘇彩紅;李如雄【摘要】Toreducetheenergyconsumptionofwirelesssensornetworksandfinishthetaskofdatagathering,anovelenergy-efficientdatagatheringprotocolforwirelesssensornetworks(NDGP)isproposed.Inthestageofclusterformation,anearoptimalclusterradiusandthenumberofactivenodesarecalculated.Everynodeinthenetworksmakesitsdecisiontocompeteforbecomingaclusterheadaccordingtotheintegratedvalueofitsresidualenergyandthedistancefromthebase.Eachclusterheadcontrolsthenumberofactivenodesinitsclusterforenergyefficient.Thenmulti-hoproutingbetweenclusterheadsisorderlycompletedlayerbylayer.Comparedwithanothertwodatagatheringprotocols(LEACH,DEEC-MR),theexperimentresultshaveshownthatNDGPcangeneratethenetworktopologywithclustersevenlydistributed,efficientlyreducethenetworkenergyconsumptionandextendthenetworklifetime.%為了更好地節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的使命,提出了一種新的高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議(novelenergy-efficientdatagatheringprotocol,NDGP)。協(xié)議中簇生成階段確定了近優(yōu)簇半徑、簇內(nèi)工作節(jié)點(diǎn)數(shù)量的計(jì)算依據(jù)。以此為基礎(chǔ),節(jié)點(diǎn)綜合自身剩余能量和到基站的距離競爭簇首,簇首在保證簇內(nèi)覆蓋率的前提下,選擇關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn),以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的效果；接著以基站為中心按層往外有序地完成簇間多跳路由的建立。與另外兩種數(shù)據(jù)收集協(xié)議(LEACH,DEEC-MR)進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明NDGP能生成簇分布均勻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行能耗,延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。期刊名稱】《自動(dòng)化與信息工程》年(卷),期】2012(000)005【總頁數(shù)】6頁(P1-6)【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)收集;簇首;多跳路由【作者】林梅金;蘇彩紅;李如雄【作者單位】佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院;佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院;廣東電網(wǎng)公司佛山供電局【正文語種】中文0引言近年來隨著傳感器技術(shù)、低功耗電子器件和射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，低成本、低能耗多功能的微型無線傳感節(jié)點(diǎn)的大量生產(chǎn)成為發(fā)展趨勢(shì)［1］。傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或固定地布置在監(jiān)測(cè)環(huán)境中，通過特定的協(xié)議自組織構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境信息以完成特定任務(wù)。而節(jié)點(diǎn)通常安裝在環(huán)境惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程場(chǎng)合中，能源難以更換，這使得如何高效利用節(jié)點(diǎn)有限的能量以延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命，成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中需要考慮的首要因素［2］。為了延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命和提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，較好的途徑是尋找一種更好的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)消耗能量的算法，而分簇正是為了解決這些問題引入對(duì)網(wǎng)絡(luò)分層方法的重要技術(shù)［3］。HeinzelmanW.R.等［4］首次提出低能耗自適應(yīng)分簇算法(low-energyadaptiveclusteringhierarchy，LEACH)協(xié)議應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，該協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建單層簇，其基本思想是首先按照自組織方式隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)選擇離自己最近的簇首節(jié)點(diǎn)加入，簇首節(jié)點(diǎn)采用分時(shí)復(fù)用的方式為本簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間隙。簇首融合簇內(nèi)成員以及簇首自己收集的數(shù)據(jù)后發(fā)送至基站。LEACH算法以隨機(jī)方式選擇簇首節(jié)點(diǎn)常常導(dǎo)致簇與簇之間分布不均勻，并且所有簇首節(jié)點(diǎn)均直接與基站通信，導(dǎo)致離基站較遠(yuǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)因能量消耗很快先行死亡。針對(duì)LEACH協(xié)議的不足，文獻(xiàn)［5］中提出一種基于鏈的數(shù)據(jù)收集協(xié)議(power-efficientgatheringinsensorinformationsystems，PEGASIS)。在PEGASIS協(xié)議中，簇首節(jié)點(diǎn)只需和離它最近的鄰居簇首節(jié)點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)通過多跳傳輸至基站，從而降低了簇首節(jié)點(diǎn)的能耗，與LEACH協(xié)議相比，獲得了更長的網(wǎng)絡(luò)壽命。但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)過長的通信鏈路時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸至基站的能耗增大，不利于延長網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)［1］指出協(xié)議PEGASIS和低能耗的數(shù)據(jù)收集及融合方法(powerefficientdatagatheringandaggregation，PEDAP)［6］在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，由于需要獲取所有節(jié)點(diǎn)位置和更新路由信息而產(chǎn)生大量能量開銷等缺點(diǎn)，提出一種基于分簇和近優(yōu)最小匯集樹的多級(jí)路由數(shù)據(jù)收集協(xié)議(energy-efficientdatagatheringprotocol，DEEC-MR)，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可靠性，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。借鑒前人研究［1-8,11啲優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種新的高效節(jié)能數(shù)據(jù)收集協(xié)議一NDGP。該協(xié)議具有以下性質(zhì)：1)是一種分布式算法；2)能實(shí)現(xiàn)簇首節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布；3)算法運(yùn)行能耗低；4)不要求節(jié)點(diǎn)具有特殊的通信能力，即不需要所有節(jié)點(diǎn)都能與sink節(jié)點(diǎn)直接通信。系統(tǒng)模型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建并且運(yùn)行一段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，稱為一“輪”。NDGP協(xié)議按輪運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)周期性地充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)(clusterhead,CH)或者普通節(jié)點(diǎn)(ordinarynode,ON)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。文中假定將N個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在一個(gè)MxM的正方形區(qū)域中，并進(jìn)行了以下幾點(diǎn)假設(shè)：所有傳感節(jié)點(diǎn)部署后位置固定，且被賦予唯一的標(biāo)號(hào)，傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，而基站有專門的供電系統(tǒng)；基站部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域幾何中心上，位置固定且是唯一的；節(jié)點(diǎn)配備的無線發(fā)射功率模塊的發(fā)射功率大小可調(diào)，即可根據(jù)距離來調(diào)整發(fā)射功率的大??；receivedsignalstrengthindication,RSSI)。本文采用文獻(xiàn)［9］提出的無線通信模型，節(jié)點(diǎn)收、發(fā)數(shù)據(jù)的能耗通過式(1)和式(2)計(jì)算。其中，ETX(i,j)、ERX(i,j)表示節(jié)點(diǎn)i發(fā)送至節(jié)點(diǎn)j、接收到節(jié)點(diǎn)j信息的能耗；k表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)位數(shù)；Eelec表示無線收發(fā)電路消耗的能量；Eamp表示天線增益消耗的能量；di,j表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的歐氏距離。該模型給出了一個(gè)閾值dO(dO是常數(shù)，數(shù)值取決于使用環(huán)境)。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)距離小于d0時(shí)，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能量損耗與距離的平方成正比(￡=2),此時(shí)能耗模型對(duì)應(yīng)的是自由空間模型；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)距離大于dO時(shí)，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的能量損耗與距離的四次方成正比(￡=4)，此時(shí)能耗模型對(duì)應(yīng)的是多路衰減模型。NDGPNDGP協(xié)議按輪運(yùn)行，每輪由簇生成、簇間多跳路由建立和數(shù)據(jù)收集三個(gè)階段構(gòu)成。在簇生成階段網(wǎng)絡(luò)完成簇首節(jié)點(diǎn)集、本輪簇內(nèi)活躍普通節(jié)點(diǎn)集和休眠節(jié)點(diǎn)集的確定，簇生成之后簇首為簇內(nèi)活躍成員創(chuàng)建TDMA調(diào)度［9］，并把調(diào)度方案廣播給簇內(nèi)活躍成員，完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)的收集。簇間多跳路由建立階段生成以基站為根，簇首為節(jié)點(diǎn)的鏈狀多跳路由，使得數(shù)據(jù)在各簇首節(jié)點(diǎn)之間以多跳方式傳輸至基站。數(shù)據(jù)收集階段，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換至自己的狀態(tài)(簇首、活躍節(jié)點(diǎn)、休眠節(jié)點(diǎn))，各個(gè)簇首按照分配好的TDMA調(diào)度收集簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)并在既定的時(shí)隙將融合數(shù)據(jù)發(fā)送至它的父簇首節(jié)點(diǎn)，此階段持續(xù)至本輪結(jié)束。為了保證網(wǎng)絡(luò)的有效工作時(shí)間，算法需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在數(shù)據(jù)收集階段時(shí)間大大超過其它兩個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間。2.1簇生成階段2.1.1最優(yōu)簇半徑計(jì)算在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是衡量一個(gè)分簇算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一［10］。簇半徑RC決定著網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)量，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能耗。根據(jù)文獻(xiàn)［1］的最優(yōu)簇半徑計(jì)算思想，當(dāng)基站位于監(jiān)控區(qū)域幾何中心時(shí)，簇首與基站間距離的數(shù)學(xué)期望值為因此對(duì)文獻(xiàn)［1］的式(16)進(jìn)行修改后，可獲得網(wǎng)絡(luò)采集一次數(shù)據(jù)并傳輸至基站的總能耗本文研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)80至250變化范圍，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率大于90%，此時(shí)計(jì)算獲得使Etotal為最小的RC分布在62至68之間。為了保證網(wǎng)絡(luò)較大的覆蓋率，且盡可能減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗，本文折中取值RC=65。2.1.2簇內(nèi)活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)密集部署常常帶來網(wǎng)絡(luò)的冗余以及無線信道干擾等問題。本協(xié)議在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率要求的前提下，采用簇內(nèi)調(diào)度減少工作節(jié)點(diǎn)數(shù)目的方法，合理利用節(jié)點(diǎn)能量，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種資源得到優(yōu)化分配。假設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域Area(其面積為A=nRC2)中，布置1個(gè)感知半徑為RS的傳感節(jié)點(diǎn)N,可知N的覆蓋面積為SN二nRS2,則節(jié)點(diǎn)N能監(jiān)測(cè)整個(gè)區(qū)域Area的概率為PN=(RS/RC)2,Area中任意一點(diǎn)不被節(jié)點(diǎn)N監(jiān)測(cè)到的概率為=1-(RS/RC)2。在Area中隨機(jī)且均勻布置k個(gè)感知半徑為RS的傳感節(jié)點(diǎn)，則Area中任意一點(diǎn)不被任何節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的概率為：=(1-(RS/RC)2)ko設(shè)n為用戶要求網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，則即以簇首節(jié)點(diǎn)為圓心，簇半徑RC為半徑的圓形區(qū)域中，如果節(jié)點(diǎn)的感知半徑為RS,則簇內(nèi)保證以n為概率監(jiān)測(cè)整個(gè)簇所需的最少活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為：2.1.3簇生成階段描述NDGP采用基于競爭機(jī)制的分布式簇生成算法，簇生成階段由基站發(fā)起，喚起監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入簇生成階段，并由上一輪數(shù)據(jù)收集階段獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大剩余能量值(emax)信息告知各節(jié)點(diǎn)。該消息格式網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收基站發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度rssi計(jì)算并保存自己與基站的距離rssi(i,bs然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的剩余能量ecur(i以及rssi(i,計(jì)算發(fā)送競爭簇首的延遲時(shí)間tdelay(i)為了保證最大剩余能量有更大的機(jī)率競爭上簇首位置取值［0.9,1,為了避免兩個(gè)距離小于RC的等能量節(jié)點(diǎn)在簇首競爭時(shí)發(fā)生沖突，在tdelay(表達(dá)式中引入rand(i微擾動(dòng)信號(hào)。為了避免距離基站過近的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，在tdelay(中引入因子網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i在0至tdelay(i時(shí)間段內(nèi)不斷接收其它節(jié)點(diǎn)申明自己為簇首節(jié)點(diǎn)的簇首廣播消息(CH_msg)，消息格式若延遲tdelay(時(shí)間到達(dá)，判斷沒有接收到任何CH_msg，則立即向半徑為RC的范圍內(nèi)發(fā)送CH_msg，申明自己為簇首。若延遲時(shí)間tdelay(到達(dá)，節(jié)點(diǎn)i接收到幾幀CH_msg，則選擇離基站最近的CH_msg作為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送Join_CH_msg，消息格式由tdelay(i)的計(jì)算式可知，不等式tdelay(i)vtO成立，因此在基站發(fā)出同步信號(hào)后的tO時(shí)刻，監(jiān)測(cè)區(qū)域Area內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)要么成為簇首節(jié)點(diǎn)，要么成為普通節(jié)點(diǎn)。此時(shí)各簇首根據(jù)式(4)計(jì)算kmin，并根據(jù)簇內(nèi)成員的ecur,選擇本輪數(shù)據(jù)采集階段的活躍節(jié)點(diǎn)，并為它們分配通信時(shí)隙。綜上所述，可得算法如下：簇生成階段后，各簇首通知各成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在簇間多跳路由建立期間，普通成員不需要參加，只需要簇首成員和基站參與即可。簇間多跳路由建立階段基站自簇生成階段發(fā)送的同步信號(hào)后tO+1時(shí)刻，開始向半徑為RC的范圍內(nèi)廣播建立多跳路由廣播消息FS_msg(FatherSon_message，尋找父子關(guān)系消息)。該消息格式基站的FS_msg中父節(jié)點(diǎn)ID與本節(jié)點(diǎn)ID相同。離基站RC距離內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)接收到基站的FS_msg，設(shè)定本簇首節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)為基站ID，完成尋找父節(jié)點(diǎn)ID的過程。這些有了父節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)開始向半徑為RC的范圍內(nèi)廣播FS_msg，父節(jié)點(diǎn)ID為空的簇首節(jié)點(diǎn)接收到幾個(gè)FS_msg，判斷選擇離基站最近的FS_msg廣播者為自己的父節(jié)點(diǎn)；而父節(jié)點(diǎn)ID不為空的簇首節(jié)點(diǎn)，接收到FS_msg的父節(jié)點(diǎn)等于本身的ID時(shí)，將FS_msg的廣播者設(shè)為自己的子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)收集階段到來時(shí)，接收子簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本簇間多跳路由建立階段按層次進(jìn)行，離基站RC距離內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)率先尋找到父節(jié)點(diǎn)，完成第一層的父子關(guān)系建立。為了保證層次進(jìn)行的有序性，從第二層開始，任何一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)一旦接收到一個(gè)FS_msg，立即啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器tl,保證完成接收自己RC范圍內(nèi)的FS_msg。在邊長為M，基站在監(jiān)測(cè)區(qū)域的幾何中心處，完成簇間多跳路由建立最多需要p=M/(2RC)-1個(gè)t1的時(shí)間。為了防止孤立簇的存在，自接收到基站發(fā)起的同步信號(hào)的(rssi(i,bs)/RC)t1時(shí)間內(nèi)，若某簇首節(jié)點(diǎn)沒有接收到任何FS_msg，則直接選擇基站作為自己的父簇首節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)收集階段簇間多跳路由建立自基站發(fā)送FS_msg同步信號(hào)后在pt1時(shí)間內(nèi)完成，此時(shí)基站將數(shù)據(jù)收集階段開始的同步信號(hào)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。普通活躍節(jié)點(diǎn)蘇醒并根據(jù)簇內(nèi)TDMA調(diào)度時(shí)隙將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)至簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)將收到的簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理后連同本簇首節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其父簇首節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的普通休眠節(jié)點(diǎn)繼續(xù)休眠保存能量，直到本階段結(jié)束。仿真實(shí)驗(yàn)利用Matlab編寫模擬程序，將NGDP協(xié)議與文獻(xiàn)［1沖的DEEC-MR協(xié)議和文獻(xiàn)［4］中的LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真并比較。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的配置參數(shù)如表1所示。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中，考慮兩種網(wǎng)絡(luò)壽命的定義：第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量小于0.002J時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)死亡。實(shí)驗(yàn)中模擬了節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化對(duì)協(xié)議性能的影響。表1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)參數(shù)值網(wǎng)絡(luò)規(guī)模500mx500m節(jié)點(diǎn)數(shù)量200~1600感知半徑RS20m基站位置(250,250)節(jié)點(diǎn)初始能量1J數(shù)據(jù)包幀長100Bytes控制包幀長10BytesEelec50nJ/bitgfs10pJ/bit?m2gamp0.0013pj/bit?m4EDA5nJ/bitd070m3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D1是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為600時(shí)，NDGP協(xié)議生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以看出本協(xié)議生成的簇分布均勻，簇首可以經(jīng)過多跳鏈接至基站。3.2能耗比較本文對(duì)比了不同算法采集一次數(shù)據(jù)并傳輸至基站的能耗隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。圖2是幾種算法在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)下的能耗對(duì)比圖，該曲線情況反映了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的效率。由圖2可看出,LEACH協(xié)議的能耗最高，其原因是該協(xié)議將數(shù)據(jù)從簇首傳送至基站采用單跳方式。NDGP協(xié)議相比DEEC-MR協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越大，NDGP的效率比協(xié)議DEEC-MR運(yùn)行效率更好，原因是NDGP協(xié)議中保存冗余節(jié)點(diǎn)能量的機(jī)制比DEEC-MR要好。圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖2能耗對(duì)比圖網(wǎng)絡(luò)壽命比較仿真研究當(dāng)監(jiān)控區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命的變化情況見圖3和圖4。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能常常以首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間為主要依據(jù)，首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)得越晚，死亡時(shí)間越集中，則協(xié)議的性能越好。LEACH協(xié)議根據(jù)概率選擇簇首的算法使得簇覆蓋面隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而減小，這種辦法無法有效利用簇首的數(shù)據(jù)融合優(yōu)勢(shì)，因此LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命并沒有隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而明顯提高NDGP協(xié)議中節(jié)點(diǎn)開始死亡的時(shí)間晚于DEEC-MR協(xié)議，死亡時(shí)間的集中程度NDGP協(xié)議在節(jié)點(diǎn)密度高的場(chǎng)合略優(yōu)于DEEC-MR協(xié)議，但兩者均大大優(yōu)于LEACH協(xié)議。NDGP協(xié)議運(yùn)行總輪數(shù)比DEEC-MR、LEACH協(xié)議多，其主要原因是：1)NDGP協(xié)議在簇首多跳建立階段有防止孤立簇的機(jī)制，這有利于避免因多跳路由引起的能量空洞而造成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中止的現(xiàn)象；2)在保證用戶覆蓋率的前提下，NDGP協(xié)議有令網(wǎng)絡(luò)內(nèi)冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)的機(jī)制，從而有效地延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，并且該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大的場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)更加明顯。圖3節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)壽命(第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡)圖4節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)壽命(最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡)結(jié)論本文針對(duì)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)的需要，提出一種新的高能效數(shù)據(jù)收集協(xié)議一NDGP。該協(xié)議在簇的生成階段可保證高剩余能量的節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，采用微擾動(dòng)的辦法解決了競爭簇首時(shí)通信堵塞的問題，成功實(shí)現(xiàn)均勻分簇。NDGP協(xié)議通過簇首節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)收集階段冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)等機(jī)制，從而有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能耗。仿真結(jié)果表明：與LEACH協(xié)議和DEEC-MR協(xié)議相比較，NDGP具有更好的運(yùn)行效率和更長的網(wǎng)絡(luò)壽命，更適合于高密度、大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。然而，在節(jié)點(diǎn)均勻分布的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后期，由于靠近基站的簇首節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了更重的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，導(dǎo)致這些簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)先行死亡。因此，NDGP也不可避免地存在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能量空洞的問題。參考文獻(xiàn)史久根，胡小博?高效節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議[幾電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2012,26(5)：437-444.杜冬梅，張志，何青，等?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(6):366-367.劉鐵流，巫詠群?基于能量優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,24⑸：764-769.HeinzelmanWR,ChandrakasanA,BalakrishnanH.Energy-efficientcommunicationprotocolforwirelessmicro-sensornetworks[C].33rdAnnualHawaiiInternationalConferenceonSystemSciences,Hawaii,20001-10.LindseyS，RaghavendraC．Pegasis