基于能量異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議

張長宏

（青海民族大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 青海 西寧 810007）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN）是由任意部署在監(jiān)測區(qū)域的節(jié)點(diǎn)組成，無基礎(chǔ)設(shè)施、通過無線通迅方式形成的自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居和城市交通等方面的應(yīng)用前廣闊，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。但這些傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，能量有限，不能更換電池，因此要最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。分簇算法因具有良好的擴(kuò)展性，能量高效而成為研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]中提出的LEACH協(xié)議是一個同構(gòu)分簇協(xié)議，該協(xié)議中隨機(jī)、分布式的選取簇頭節(jié)點(diǎn)的，并周期性的輪換簇頭節(jié)點(diǎn)，有效的延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。文獻(xiàn)[2]提出的SEP算法是對LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。但兩者都沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。本文提出的算法是對SEP算法的簇頭的改進(jìn)。

1 LEACH和SEP算法

1.1 LEACH算法

LEACH是最早設(shè)計分布式成簇協(xié)議，周期性輪換簇頭，每輪分為簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段兩個階段。為節(jié)省能量，一般數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間要大于網(wǎng)絡(luò)建立的時間。

簇的建立階段完成簇頭的選擇和非簇頭節(jié)點(diǎn)按就近原則加入對應(yīng)的簇。簇頭的選擇是分布式進(jìn)行，每個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于閾值Ki（t），則這個節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為簇頭。Ki（t）由公式（1）得出，其中r表示已完成的輪數(shù)，p為簇頭節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)的比例，G表示節(jié)點(diǎn)在前r mod（1/p）輪沒有當(dāng)選中簇頭節(jié)點(diǎn)的集合。

選出的簇頭發(fā)布消息成為簇頭，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的消息加入對應(yīng)的簇，并發(fā)消息給簇頭，簇頭為按TDMA方式每個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時隙。

數(shù)據(jù)傳輸階段每個節(jié)點(diǎn)按所分配的時隙傳輸數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)并融合處理提交給基站。節(jié)點(diǎn)在空閑的時隙進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了監(jiān)聽所消耗的能量。提交給簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合再傳輸減少了數(shù)據(jù)流量，降低了能耗。

1.2 SEP算法

SEP算法對LEACH協(xié)議改進(jìn)使其適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)有兩種，一種是普通節(jié)點(diǎn)，另外一種是高能量節(jié)點(diǎn)，對高能量節(jié)點(diǎn)和正常節(jié)點(diǎn)設(shè)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(jié)點(diǎn)的比例，α是高能量節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)能量高出的倍數(shù)，這樣每輪選出的平均簇頭數(shù)沒變，高能量當(dāng)選簇頭的機(jī)會增大，普通節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇的機(jī)率減小，從而使所有節(jié)點(diǎn)能均衡的消耗能量。其它與LEACH協(xié)議相同。

2 SEP-E協(xié)議

根據(jù)前面的分析可知，兩種算法的簇頭都是隨機(jī)產(chǎn)生的，因每個節(jié)點(diǎn)所處的位置不同，每一輪每一個節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)快速死亡，兩種算法簇頭的選擇沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，縮短了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期。本文在SEP算法的基礎(chǔ)上提出了一種新的協(xié)議。協(xié)議分為兩個階段，簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭建立階段對節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭加了一定的限制，如當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量小于一定值時，只能采集和傳送數(shù)據(jù)，不能當(dāng)選簇頭。另外，簇頭的選擇時引入了節(jié)點(diǎn)剩余能量和估計能量的比值因子EE，對SEP協(xié)議中的閾值進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)發(fā)消息通知其它節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號選擇最強(qiáng)的簇頭為自己的簇頭，簇頭根據(jù)收到的信息按TDMA方式為每個節(jié)點(diǎn)分配時隙，簇的建立階段結(jié)束。數(shù)據(jù)傳輸階段與LEACH協(xié)議相同。

2.1 協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)由N個隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，同時有以下假設(shè)：（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)為高密度靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)和基站部署后均不再發(fā)生位置移動，基站唯一，而且基站的能量是無限制的；（2）節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)融合功能，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個唯一的標(biāo)識（ID）；（3）節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收方距離的遠(yuǎn)近調(diào)整其發(fā)射功率以減小能量消耗。協(xié)議采用的一階無線電模型，當(dāng)發(fā)送距離較近時（d≤d0），采用自由空間信道模型；當(dāng)發(fā)送距離較遠(yuǎn)時（d>d0），采用多路徑衰減模型。具體如下：傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送l bit數(shù)據(jù)消耗的能量為：

傳感器節(jié)點(diǎn)接收l bit數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)剩余能量和估計能量的比值EE來優(yōu)化閾值，計算如公式（4）。SEP-E協(xié)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(jié)點(diǎn)按公式（5），（6）計算其閾值，高能量節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生一個0到1的隨機(jī)數(shù)與閾值Ki（tn），Ki（ta）進(jìn)行比較，小于閾值的節(jié)點(diǎn)選為簇頭。計算公式如下：

公式（4）中，r為當(dāng)前運(yùn)行的輪次，N0為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的預(yù)計運(yùn)行最大輪次，E0為節(jié)點(diǎn)的初始能量，Ei為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。每個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與Ki（tn）或Ki（ta）相比較，剩余的能量越大，比值EE越大，當(dāng)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(dāng)選簇頭的可能性就越小，從而避免了低能量節(jié)點(diǎn)能量快速耗盡。當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播信息，通知產(chǎn)生了一個新簇頭，接收到消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號的強(qiáng)度選擇一個簇頭加入，并告知簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭按TDMA方式為每個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時隙。

2.3 穩(wěn)定傳輸階段

傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)按照簇頭分配的時隙傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后將結(jié)果直接發(fā)送到基站。

3 仿真結(jié)果分析

圖1 網(wǎng)絡(luò)生存周期比較

實(shí)驗(yàn)采用MATLAB進(jìn)行仿真，模擬實(shí)現(xiàn)了LEACH，SEP，SEP-E進(jìn)行了性能比較。仿真主要參數(shù)如下：100個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100m*100m的區(qū)域中，基站位于（50，175），簇頭的概率p=0.05，SEP-E中的節(jié)點(diǎn)的預(yù)計運(yùn)行最大輪次為N0=2000輪,節(jié)點(diǎn)初始能量E0＝0.5 J，Efs＝10 pJ/bit/m2，Emp＝0.0013 pJ/bit/m4，數(shù)據(jù)長度l＝4000 bit，Eelec＝50nJ/bit，數(shù)據(jù)融合能量EDA＝5 nJ/bit/sysnal。圖1給出了LEACH,SEP與SEP-E協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存周期的比較，以仿真輪數(shù)代表時間，LEACH，SEP，SEP-E三種算法第一個節(jié)點(diǎn)死亡出現(xiàn)的輪數(shù)分別為684，817，895， 半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)分別為907，1051，1123，最后一個節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)分別為大于5000，5000，5000。從圖中我們可以看出SEP協(xié)議第一個節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)比LEACH提高了19%，而SEP-E協(xié)議比SEP協(xié)議提高了9.5%。半數(shù)節(jié)點(diǎn)死亡的輪數(shù)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(jié)點(diǎn)SEP-E算法比SEP算法只剩一個節(jié)點(diǎn)的輪數(shù)要小，而LEACH算法則在5000輪時還有6個節(jié)點(diǎn)存活。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將從開始到第一個節(jié)點(diǎn)死亡的時期稱為穩(wěn)定期，該值越大，網(wǎng)絡(luò)的性能越好。將第一個節(jié)點(diǎn)死亡到全部節(jié)點(diǎn)死亡稱為不穩(wěn)定期，不穩(wěn)定的長短表明了網(wǎng)絡(luò)的收斂性，不穩(wěn)定期越短，網(wǎng)絡(luò)性能越好。從圖中我們還看到SEP-E比SEP協(xié)議有更好的收斂性。

根據(jù)結(jié)果分析，主要的原因是對于簇頭的優(yōu)化避免了一些低能量節(jié)點(diǎn)提前死亡，使能量的消耗盡可能均衡使網(wǎng)絡(luò)有了較長的生命周期。

4 結(jié)束語

本文分析了LEACH和SEP協(xié)議，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的路由協(xié)議SEP-E，仿真結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)生命周期有了較大的提高，而且在收斂性方面也優(yōu)于SEP，從而提升了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能。今后將結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用研究更適合的協(xié)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.