基于可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議仿真

梁建航　張林叢　敖然　齊繼鋒

摘要：本文主要針對(duì)LEACH和SEP兩種協(xié)議在應(yīng)用于可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的生命周期的影響進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，SEP協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高，生命周期長。

[關(guān)鍵詞]LEACH協(xié)議SEP協(xié)議可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期

可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WWSN）是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，由大量穿戴或嵌入人體的成本低且綜合采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成?？梢允占瘡?fù)雜的體征數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)?？纱┐鳠o線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)追蹤、災(zāi)害預(yù)測(cè)等領(lǐng)域內(nèi)有著非常重要的作用。在WWSN中，節(jié)點(diǎn)一旦部署在人身上就基本無法進(jìn)行能量供給，因此在進(jìn)行路由設(shè)計(jì)時(shí)需要能耗的限制，同時(shí)WWSN節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往很大，節(jié)點(diǎn)沒有足夠能力獲取全局信息，只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，因此路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑。

本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的分簇算法一LEACH和SEP進(jìn)行仿真比較，著重觀察兩個(gè)算法在應(yīng)用于WWSN時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期的影響。

1LEACH算法概述

LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）協(xié)議采用的是分簇拓?fù)渌惴?，它的?zhí)行過程分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。因?yàn)槭侵芷谛缘乃惴?，所以每個(gè)階段都會(huì)執(zhí)行這兩個(gè)步驟。在簇的建立階段，一個(gè)區(qū)域中相鄰的多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成簇，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)簇頭;在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)需要先把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，然后簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。由于簇頭需要完成收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)融合和匯聚節(jié)點(diǎn)通信等工作，所以能量消耗相比于其他節(jié)點(diǎn)大。LEACH算法中各節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭的概率是一樣的，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)成為簇頭，相對(duì)的促進(jìn)能耗均衡。

LEACH在執(zhí)行時(shí)不斷地循環(huán)簇的重構(gòu)這個(gè)過程，并在算法操作上使用了“輪”的概念，每一輪由初始化和穩(wěn)定的工作兩個(gè)階段組成。在初始化階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于所設(shè)的閾值，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己是簇頭的消息。該閾值設(shè)置如公式（1）所示：

在LEACH算法中，每一輪循環(huán)構(gòu)造簇的能量開銷比較大。其次，遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于長距離發(fā)送數(shù)據(jù)而過早耗盡自身能量，造成節(jié)點(diǎn)死亡甚至網(wǎng)絡(luò)分割。另外，LEACH算法沒有考慮簇頭節(jié)點(diǎn)剩余的能量狀況，如果能量很低的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的話，將會(huì)加速該節(jié)點(diǎn)的死亡，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2SEP算法概述

SEP（SmartEnergyProtocol）協(xié)議是在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上提出的一種二重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分簇協(xié)議。這種協(xié)議考慮實(shí)際情況中節(jié)點(diǎn)往往出現(xiàn)初始能量不一致的情況，比如在有些網(wǎng)絡(luò)中，一部分節(jié)點(diǎn)已經(jīng)死亡，為了確保數(shù)據(jù)采集的完整性人們必須增加新的節(jié)點(diǎn)來代替原來死亡節(jié)點(diǎn)，這些新節(jié)點(diǎn)的能量很可能與原來能量不一致。這樣就形成了一個(gè)能量不同的新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

SEP根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間能量的高低將節(jié)點(diǎn)分為了普通節(jié)點(diǎn)和優(yōu)選節(jié)點(diǎn)，優(yōu)選節(jié)點(diǎn)的能量高于普通節(jié)點(diǎn)，因此優(yōu)選節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的數(shù)據(jù)采集、處理轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)也必須高于普通節(jié)點(diǎn)，極有可能成為簇頭。與LEACH協(xié)議不同，SEP在成簇時(shí)，選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)是能量較高的，且定義的優(yōu)選節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的身份不是一成不變的，有可能隨著優(yōu)選節(jié)點(diǎn)成為簇頭的次數(shù)越來越多，節(jié)點(diǎn)能耗相對(duì)較低，其他節(jié)點(diǎn)成為了能量較高優(yōu)選節(jié)點(diǎn)。

SEP協(xié)議首次提出了基于節(jié)點(diǎn)初始能量異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也采用輪換的方式擔(dān)任簇頭，使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗均勻分配于各個(gè)節(jié)點(diǎn)中。并且根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)間初始能量的不同來確定節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率，很好的解決了低能量節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的問題。相對(duì)于LEACH，這樣簇頭的選舉更加合理，充分利用了高級(jí)節(jié)點(diǎn)具備較多能量的條件，延長了網(wǎng)絡(luò)了穩(wěn)定期。

3LEACH與SEP仿真比較

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

本文采用MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)LEACH協(xié)議和SEP協(xié)議對(duì)可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期影響進(jìn)行仿真分析，假定可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真范圍選定在平方米的區(qū)域;基站坐標(biāo)設(shè)為（50，50）;優(yōu)選節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100，并隨機(jī)分布，這意味著每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)在0到100之間隨機(jī)的選取;初始能量設(shè)為0.02J;傳輸能耗和接收能耗的大小都設(shè)置為50*0.00000000001J;傳輸放大耗能則根據(jù)不同類型參數(shù)設(shè)置為不同的值，其中的參數(shù)值大小設(shè)置為10*0.00000000001J，的參數(shù)值大小設(shè)置為0.0013*0.00000000001J;數(shù)據(jù)耗能值設(shè)置為5*0.00000000001J;由于在后期節(jié)點(diǎn)大部分死亡，仿真以失去實(shí)際意義，所以在這里我們將輪換的次數(shù)設(shè)置為r一max=1999，也就是說仿真會(huì)有1999次循環(huán)。

3.2仿真結(jié)果分析

從圖1左圖可以看出LEACH協(xié)議在仿真進(jìn)行到1999輪后仿真區(qū)域中僅剩余4個(gè)節(jié)點(diǎn)，而SEP協(xié)議（右圖）1999輪時(shí)仿真區(qū)域中依舊存活的普通節(jié)點(diǎn)和優(yōu)先節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和為17，并且從仿真過程中發(fā)現(xiàn)LEACH協(xié)議在進(jìn)行到大約第230輪時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，而SEP中第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)大約出現(xiàn)在第400輪仿真的時(shí)刻。這說明相比較于LEACH協(xié)議，SEP能延后第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間。

圖2表明在200輪之前LEACH協(xié)議簇頭數(shù)量平均在8左右，在第200輪后簇頭數(shù)量開始呈下降的趨勢(shì)，在進(jìn)行到1000輪時(shí)簇頭數(shù)量僅僅處于2個(gè)的平均水平。而SEP在600輪之前簇頭數(shù)量平均在10左右，在第600輪后簇頭數(shù)量大體上開始呈下降的趨勢(shì)，在進(jìn)行到1600輪時(shí)簇頭數(shù)量基本趨于4個(gè)的穩(wěn)定水平。這表明SEP協(xié)議的簇頭在多數(shù)時(shí)刻多于LEACH協(xié)議。

從圖3可以看出1000輪之前SEP比LEACH節(jié)點(diǎn)死亡率慢的多，后來SEP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)死亡較LEACH節(jié)點(diǎn)死亡稍快。這是由于到后期SEP協(xié)議所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量基本上差不多，故大部分節(jié)點(diǎn)做為簇頭的概率都是差不多的，所以死亡概率也是一樣的。但從整體可以看出SEP協(xié)議的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)一直高于LEACH且整體較為穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)生存周期加長。

4總結(jié)

本文主要對(duì)LEACH和SEP兩種協(xié)議進(jìn)行概述并且分析兩個(gè)協(xié)議在應(yīng)用于可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存周期的影響情況，可以看出SEP相較于LEACH能顯著延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間并提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期，能耗平衡和能源利用率較好。

參考文獻(xiàn)

[1]Li D， Wei S. Improvement of the SEPprotocol based on community structureof node degree[C] / / Ameri canInstitute of Physics ConferenceSeries.2017.

[2]多級(jí)異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效分簇路由算法[D].江西理工大學(xué)，2017.

[3]張長宏?；谀芰慨悩?gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議[J].科技視界，2012（13）：162-163.

[4]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LEACH協(xié)議的研究與改進(jìn)[D].湖南大學(xué)，2011.

[5]Ayoob M， Zhen Q， Adnan S， et al.Research of improvement on LEACHand SEP routing protocol Sinwireless sensor networks[C]// IEEEInternational Conference on Control& Robotics Engineering. 2016.