基于SEP協(xié)議和無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多跳傳輸節(jié)能算法的實(shí)現(xiàn)

1、基于SEP協(xié)議和無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多跳傳輸節(jié)能算法的實(shí)現(xiàn)摘 要：針對(duì)基于SEP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)存在簇頭節(jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象和遠(yuǎn)間隔 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗大的弊端。文中設(shè)計(jì)了一種基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的多跳傳輸節(jié)能算法。該算法把剩余能量高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭的候選節(jié)點(diǎn)，采用多跳樹簇拓?fù)渫ㄐ艡C(jī)制，建立簇頭與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路。使用Matlab對(duì)算法進(jìn)展仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果說明，該算法減小了用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰块_銷，有效延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。關(guān)鍵詞：SEP協(xié)議；節(jié)能算法；節(jié)點(diǎn)剩余能量；多跳樹簇拓?fù)錁?gòu)造；多跳傳輸中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302202108-00-040 引

2、言一個(gè)成熟傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)展數(shù)據(jù)的采集、壓縮、識(shí)別、交融等多種處理以滿足用戶的多樣化需求。但傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、能量有限，大都采用電池供電，需要與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)通信來上傳采集的數(shù)據(jù)，且通信耗能比較大。因此，如何降低傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信耗能以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是本文的重點(diǎn)。SEP協(xié)議是一種二重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議1，2，它是在LEACH協(xié)議的根底上提出的適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議3，4。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)有兩種，一種是普通節(jié)點(diǎn)，另一種是高能量節(jié)點(diǎn)。但由于SEP協(xié)議在每輪成簇過程中，隨機(jī)選擇的簇頭會(huì)使能量低的節(jié)點(diǎn)中選為簇頭，使節(jié)點(diǎn)過早死亡，因此選擇簇頭時(shí)，應(yīng)選擇能量高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。簇頭選擇

3、好后，SEP協(xié)議建立了簇頭與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)間的直接通信鏈路，致使遠(yuǎn)間隔 的簇頭節(jié)點(diǎn)與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)的通信能量消耗非常大。如何平衡間隔 會(huì)聚節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)近簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗，也決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的長短。因此，本文基于SEP協(xié)議設(shè)計(jì)了一種基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的多跳傳輸節(jié)能算法。該算法在每輪選擇簇頭時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量，選擇能量高的節(jié)點(diǎn)中選為簇頭，以及采用多跳樹簇拓?fù)錁?gòu)造路由通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)簇頭與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)的通信，減少了間隔 會(huì)聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)的能量開銷，從而平衡了傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。實(shí)驗(yàn)說明，基于改進(jìn)后的SEP協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的算法比普通SEP協(xié)議算法有更長的生存周期。1 基于S

4、EP協(xié)議動(dòng)態(tài)隨機(jī)選擇簇頭和簇頭直接通信的解決方案在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由傳感器節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綍?huì)聚節(jié)點(diǎn)Sink，會(huì)聚節(jié)點(diǎn)把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，從中得到有價(jià)值的信息。而傳感器節(jié)點(diǎn)與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)如何通信，本文采用分簇路由通信協(xié)議。這種分簇協(xié)議在節(jié)約能量上更有優(yōu)勢5。分簇的思想是：網(wǎng)絡(luò)被劃分為假設(shè)干個(gè)簇Cluster，每個(gè)簇按照一定的選舉機(jī)制選舉一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭Cluster Head。每個(gè)簇內(nèi)除了簇頭，其他節(jié)點(diǎn)均為成員節(jié)點(diǎn)Cluster Member。成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知區(qū)域數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嘟拇仡^，簇頭將數(shù)據(jù)以自組織的方式傳送到會(huì)聚節(jié)點(diǎn)Sink。分簇協(xié)議以輪為單位，每輪分為簇頭的建立

5、和穩(wěn)定通信階段。SEP協(xié)議是一種異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定分簇選舉協(xié)議。它在節(jié)點(diǎn)能量分布不均的情況下，解決了簇頭節(jié)點(diǎn)耗能高的問題，但存在以下缺乏：1在每輪動(dòng)態(tài)成簇的過程中，會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生簇頭，假設(shè)能量低的節(jié)點(diǎn)中選為簇頭，會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)過早死亡，加速第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，進(jìn)而縮短網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定期；2簇頭向會(huì)聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用直接通信方式如圖1所示的虛線線路，耗能單一，但隨著間隔 的增大，簇頭節(jié)點(diǎn)能耗急劇增加，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗不均，影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，進(jìn)而縮短傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。針對(duì)上述缺乏，本文提出了如下解決方案：1針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象，在建立簇頭時(shí)，把節(jié)點(diǎn)剩余能量列為選擇簇頭的

6、標(biāo)準(zhǔn)，剩余能量高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先被選為簇頭，以防止能量低的節(jié)點(diǎn)中選簇頭，使其能量過早耗盡。2針對(duì)直接通信的弊端，提出多跳的樹簇拓?fù)錁?gòu)造通信機(jī)制如圖1所示的實(shí)線線路，使傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇頭和會(huì)聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，盡可能采用多跳方式以節(jié)省能量，平衡簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗。2 基于SEP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量多跳傳輸節(jié)能算法及其實(shí)現(xiàn)過程本文算法在實(shí)現(xiàn)前，需要一個(gè)適宜的能量模型對(duì)算法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗進(jìn)展模擬，以驗(yàn)證算法在延長網(wǎng)絡(luò)生命周期中的作用。2.1 算法的能量模型在對(duì)算法進(jìn)展實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用第一順序能量模型來模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗6，7。該模型把節(jié)點(diǎn)能量的消耗分為數(shù)據(jù)發(fā)送耗能、數(shù)據(jù)交融耗能

7、、數(shù)據(jù)接收耗能三個(gè)部分，以對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的能耗進(jìn)展模擬。本文采用的耗能模型假設(shè)：節(jié)點(diǎn)A向間隔 為d的另一節(jié)點(diǎn)B傳輸L比特的信息，那么A節(jié)點(diǎn)發(fā)送耗能的計(jì)算公式為：每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)交融1 b數(shù)據(jù)所消耗的能量為EDA。2.2 基于SEP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量多跳傳輸節(jié)能算法由于基于SEP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)存在節(jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象和遠(yuǎn)間隔 通信能耗大的弊端，本文設(shè)計(jì)的基于節(jié)點(diǎn)剩余能量多跳傳輸?shù)墓?jié)能算法基于SEP協(xié)議做了以下兩處改進(jìn)：1把節(jié)點(diǎn)剩余能量列為簇頭選擇的標(biāo)準(zhǔn)；2簇頭和會(huì)聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí)采用多跳樹簇拓?fù)渫ㄐ艡C(jī)制。2.2.1 剩余能量列為選舉簇頭標(biāo)準(zhǔn)選擇簇頭時(shí)要考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量8，這就需對(duì)SEP

8、協(xié)議中隨機(jī)選擇簇頭的方法做改進(jìn)，以增加能量高的節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率，防止能量低的節(jié)點(diǎn)中選簇頭而出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象9。SEP協(xié)議的自適應(yīng)成簇技術(shù)是在簇頭建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)生成01之間的隨機(jī)數(shù)rand。假設(shè)隨機(jī)數(shù)小于閾值Tn，那么該節(jié)點(diǎn)被選為簇頭。在該技術(shù)中隨機(jī)數(shù)rand的生成以及閾值Tn的計(jì)算均與節(jié)點(diǎn)剩余能量無關(guān)，這樣不利于高能量節(jié)點(diǎn)被選為簇頭?？赏ㄟ^減小隨機(jī)數(shù)rand的值來增大剩余能量高的節(jié)點(diǎn)中選為簇頭的概率。 算法第一輪執(zhí)行過后，部分節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的中間結(jié)果如圖4所示。第二輪完畢后，節(jié)點(diǎn)19到24均未被選為簇頭，和第一輪結(jié)果比照可知未被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)能量E消耗緩慢。且節(jié)點(diǎn)在選擇簇頭時(shí)各節(jié)點(diǎn)因

9、為坐標(biāo)不一，所要參加的簇min_dis_cluster也不一樣。中間結(jié)果說明本文算法很好地實(shí)現(xiàn)了分簇路由通信協(xié)議的思想，并且用第一順序能耗模型能很好地模擬網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗。3.2 算法的運(yùn)行結(jié)果分析某一輪的簇劃分與簇頭的選擇過程如圖6所示。將本文算法與基于SEP協(xié)議路由算法進(jìn)展比照，可明顯看出本文算法的有效性。將剩余能量參加選擇簇頭的標(biāo)準(zhǔn)，讓剩余能量高的節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的幾率增大，防止了因?yàn)槟芰咳狈υ斐晒?jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象；通過參加多跳樹簇拓?fù)錁?gòu)造通信機(jī)制，使得簇頭到會(huì)聚節(jié)點(diǎn)間的通信更具有靈敏性，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的能量開銷，比照結(jié)果說明本文算法到達(dá)了延長網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。4 結(jié) 語本文通過對(duì)穩(wěn)定

10、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SEP進(jìn)展分析，發(fā)如今大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在節(jié)點(diǎn)過早死亡的現(xiàn)象，以及遠(yuǎn)間隔 數(shù)據(jù)傳輸能耗大的缺乏，設(shè)計(jì)了一種基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的多跳節(jié)能算法。該算法在選取簇頭時(shí)，增大了剩余能量高的節(jié)點(diǎn)中選為簇頭的概率，并采用多跳樹簇拓?fù)渫ㄐ艠?gòu)造的方式，在簇頭和會(huì)聚節(jié)點(diǎn)建立了一條多跳樹狀數(shù)據(jù)傳輸鏈路，有效降低了用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰肯模娱L了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。參考文獻(xiàn)1 Georgios Smaragdakis，Ibrahim Mata，Azer Bestavros. SEP： A Stable Election Protocol for clustered heterogeneous wireless

11、sensor networksZ puter Science Department Boston University.2楊莉莉.SEP2.0通信協(xié)議研究J.中國新通信，202112：80.3楊永健，賈冰，王杰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH協(xié)議的改進(jìn)J.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，20211：105-109.4李巖，張曦煌，李彥中.基于LEACH協(xié)議的簇頭多跳LEACH-M算法J.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，2817：4158-4160.5沈波，張世永，鐘亦平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議J.軟件學(xué)報(bào)，2006，177：1588-1600.6Heinzelman W B，Chandrakasan A P，Balakrishnan H.An Application-specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor NetworksJ.IEEE Trans. on Wireless Commun.，2002，14：660-667.7張志東，孫雨耕，劉洋，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量模型J. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，409：1029-1034.8丁男，譚國真，由笛，等.一種基于WSN時(shí)變性與節(jié)點(diǎn)剩余能量平衡的時(shí)機(jī)路由算法J.電子與信息學(xué)報(bào)，2021，353：715-720