基于能量異構的傳感器網絡分簇路由協議

張長宏

（青海民族大學計算機學院 青海 西寧 810007）

0 引言

無線傳感器網絡（wireless sensor network,WSN）是由任意部署在監測區域的節點組成，無基礎設施、通過無線通迅方式形成的自組織多跳的網絡系統。在軍事、環境監測、智能家居和城市交通等方面的應用前廣闊，成為當前的研究熱點之一。但這些傳感器節點體積小，能量有限，不能更換電池，因此要最大限度延長網絡的生命周期。分簇算法因具有良好的擴展性，能量高效而成為研究熱點。

文獻[1]中提出的LEACH協議是一個同構分簇協議，該協議中隨機、分布式的選取簇頭節點的，并周期性的輪換簇頭節點，有效的延長了網絡的生命周期。文獻[2]提出的SEP算法是對LEACH協議進行改進，使其適應異構網絡。但兩者都沒有考慮節點的剩余能量。本文提出的算法是對SEP算法的簇頭的改進。

1 LEACH和SEP算法

1.1 LEACH算法

LEACH是最早設計分布式成簇協議，周期性輪換簇頭，每輪分為簇的建立階段和數據傳輸階段兩個階段。為節省能量，一般數據傳輸持續時間要大于網絡建立的時間。

簇的建立階段完成簇頭的選擇和非簇頭節點按就近原則加入對應的簇。簇頭的選擇是分布式進行，每個節點產生一個隨機數，如果選定的值小于閾值Ki（t），則這個節點就當選為簇頭。Ki（t）由公式（1）得出，其中r表示已完成的輪數，p為簇頭節點占總節點的比例，G表示節點在前r mod（1/p）輪沒有當選中簇頭節點的集合。

選出的簇頭發布消息成為簇頭，非簇頭節點根據收到的消息加入對應的簇，并發消息給簇頭，簇頭為按TDMA方式每個簇內節點分配時隙。

數據傳輸階段每個節點按所分配的時隙傳輸數據給簇頭節點，簇頭節接收簇內節點發來的數據并融合處理提交給基站。節點在空閑的時隙進入休眠狀態，減少了監聽所消耗的能量。提交給簇頭節點數據進行融合再傳輸減少了數據流量，降低了能耗。

1.2 SEP算法

SEP算法對LEACH協議改進使其適應異構網絡。異構網絡中節點有兩種，一種是普通節點，另外一種是高能量節點，對高能量節點和正常節點設置不同的概率pa和pn，使得m*pa+（1-m）pn=p， 其中pn=p/（1+αm），pa=p（1+α）/（1+αm），m是高能量節點的比例，α是高能量節點比普通節點能量高出的倍數，這樣每輪選出的平均簇頭數沒變，高能量當選簇頭的機會增大，普通節點當選簇的機率減小，從而使所有節點能均衡的消耗能量。其它與LEACH協議相同。

2 SEP-E協議

根據前面的分析可知，兩種算法的簇頭都是隨機產生的，因每個節點所處的位置不同，每一輪每一個節點所消耗的能量是不同的，周期性輪換簇頭將會使一些低能量節點快速死亡，兩種算法簇頭的選擇沒有考慮節點的剩余能量，縮短了網絡的穩定期。本文在SEP算法的基礎上提出了一種新的協議。協議分為兩個階段，簇的建立階段和數據傳輸階段，簇頭建立階段對節點當選簇頭加了一定的限制，如當節點能量小于一定值時，只能采集和傳送數據，不能當選簇頭。另外，簇頭的選擇時引入了節點剩余能量和估計能量的比值因子EE，對SEP協議中的閾值進行優化。當選簇頭的節點發消息通知其它節點，其它節點根據收到的信號選擇最強的簇頭為自己的簇頭，簇頭根據收到的信息按TDMA方式為每個節點分配時隙，簇的建立階段結束。數據傳輸階段與LEACH協議相同。

2.1 協議的無線網絡模型

網絡由N個隨機部署的傳感器節點組成，同時有以下假設：（1）傳感器網絡為高密度靜態網絡，傳感器節點和基站部署后均不再發生位置移動，基站唯一，而且基站的能量是無限制的；（2）節點具備數據融合功能，每個傳感器節點都有一個唯一的標識（ID）；（3）節點可以根據接收方距離的遠近調整其發射功率以減小能量消耗。協議采用的一階無線電模型，當發送距離較近時（d≤d0），采用自由空間信道模型；當發送距離較遠時（d>d0），采用多路徑衰減模型。具體如下：傳感器節點發送l bit數據消耗的能量為：

傳感器節點接收l bit數據消耗的能量為：

2.2 簇的建立階段

在簇的建立階段引入了節點剩余能量和估計能量的比值EE來優化閾值，計算如公式（4）。SEP-E協議每輪先檢測自己的能量值是否小于一個特定值，如小于初始能量的0.05%，則退出簇頭的競爭；如大于則不同類型的節點按公式（5），（6）計算其閾值，高能量節點和普通節點分別產生一個0到1的隨機數與閾值Ki（tn），Ki（ta）進行比較，小于閾值的節點選為簇頭。計算公式如下：

公式（4）中，r為當前運行的輪次，N0為無線傳感器網絡的預計運行最大輪次，E0為節點的初始能量，Ei為節點i的剩余能量。每個節點產生的隨機數與Ki（tn）或Ki（ta）相比較，剩余的能量越大，比值EE越大，當選簇頭的可能性就越大，反之剩余的能量越小，比值EE越小，當選簇頭的可能性就越小，從而避免了低能量節點能量快速耗盡。當選簇頭的節點向網絡廣播信息，通知產生了一個新簇頭，接收到消息的節點根據信號的強度選擇一個簇頭加入，并告知簇頭節點，簇頭按TDMA方式為每個簇內節點分配時隙。

2.3 穩定傳輸階段

傳感器節點將采集的數據按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節點，簇頭節點進行數據融合后將結果直接發送到基站。

3 仿真結果分析

圖1 網絡生存周期比較

實驗采用MATLAB進行仿真，模擬實現了LEACH，SEP，SEP-E進行了性能比較。仿真主要參數如下：100個節點隨機分布在100m*100m的區域中，基站位于（50，175），簇頭的概率p=0.05，SEP-E中的節點的預計運行最大輪次為N0=2000輪,節點初始能量E0＝0.5 J，Efs＝10 pJ/bit/m2，Emp＝0.0013 pJ/bit/m4，數據長度l＝4000 bit，Eelec＝50nJ/bit，數據融合能量EDA＝5 nJ/bit/sysnal。圖1給出了LEACH,SEP與SEP-E協議網絡生存周期的比較，以仿真輪數代表時間，LEACH，SEP，SEP-E三種算法第一個節點死亡出現的輪數分別為684，817，895， 半數節點死亡的輪數分別為907，1051，1123，最后一個節點死亡的輪數分別為大于5000，5000，5000。從圖中我們可以看出SEP協議第一個節點死亡的輪數比LEACH提高了19%，而SEP-E協議比SEP協議提高了9.5%。半數節點死亡的輪數SEP算法比LEACH提高了15.8%，而SEP-E比SEP算法提高了7%。而最后一個節點SEP-E算法比SEP算法只剩一個節點的輪數要小，而LEACH算法則在5000輪時還有6個節點存活。

在無線傳感器網絡中，將從開始到第一個節點死亡的時期稱為穩定期，該值越大，網絡的性能越好。將第一個節點死亡到全部節點死亡稱為不穩定期，不穩定的長短表明了網絡的收斂性，不穩定期越短，網絡性能越好。從圖中我們還看到SEP-E比SEP協議有更好的收斂性。

根據結果分析，主要的原因是對于簇頭的優化避免了一些低能量節點提前死亡，使能量的消耗盡可能均衡使網絡有了較長的生命周期。

4 結束語

本文分析了LEACH和SEP協議，在此基礎上提出了一種新的路由協議SEP-E，仿真結果顯示，網絡生命周期有了較大的提高，而且在收斂性方面也優于SEP，從而提升了異構網絡性能。今后將結合實際的應用研究更適合的協議。

［1］W.R.Heinzelman,A.P.Chandrakasan,and H.Balakrishnan.Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C].Maui,Hawaii:The 33rd Hawaii International Conference on SystemSciences(HICSS-33),2000.

［2］G.Smaragdakis,I.matta.Sep:a stable election protocol for clustered heterogeneous wireless sensor networks//http://csr.bu.edu/sep/SEP_SANPA04.pdf.