基于可穿戴無線傳感器網絡分簇協議仿真

梁建航　張林叢　敖然　齊繼鋒

摘要：本文主要針對LEACH和SEP兩種協議在應用于可穿戴無線傳感器網絡時，對網絡的生命周期的影響進行仿真分析。結果表明，SEP協議使得網絡穩定性高，生命周期長。

[關鍵詞]LEACH協議SEP協議可穿戴無線傳感器網絡生命周期

可穿戴無線傳感器網絡（WWSN）是一種自組織網絡，由大量穿戴或嵌入人體的成本低且綜合采集數據、處理數據和無線通信能力的傳感器節點組成。可以收集復雜的體征數據和環境數據并實現數據的處理和轉發。可穿戴無線傳感器網絡在環境監測、目標追蹤、災害預測等領域內有著非常重要的作用。在WWSN中，節點一旦部署在人身上就基本無法進行能量供給，因此在進行路由設計時需要能耗的限制，同時WWSN節點數目往往很大，節點沒有足夠能力獲取全局信息，只能獲取局部拓撲結構信息，因此路由協議要能在局部網絡信息的基礎上選擇合適的路徑。

本文對無線傳感器網絡中常用的分簇算法一LEACH和SEP進行仿真比較，著重觀察兩個算法在應用于WWSN時，對網絡生命周期的影響。

1LEACH算法概述

LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）協議采用的是分簇拓撲算法，它的執行過程分為簇的建立階段和穩定的數據通信階段。因為是周期性的算法，所以每個階段都會執行這兩個步驟。在簇的建立階段，一個區域中相鄰的多個節點組成簇，隨機產生一個簇頭;在數據通信階段，簇內節點需要先把數據發送給簇頭，然后簇頭進行數據融合后把結果發送給匯聚節點。由于簇頭需要完成收集數據、數據融合和匯聚節點通信等工作，所以能量消耗相比于其他節點大。LEACH算法中各節點擔任簇頭的概率是一樣的，使得網絡中的節點都有機會成為簇頭，相對的促進能耗均衡。

LEACH在執行時不斷地循環簇的重構這個過程，并在算法操作上使用了“輪”的概念，每一輪由初始化和穩定的工作兩個階段組成。在初始化階段，每個節點產生一個0～1之間的隨機數，如果某個節點產生的隨機數小于所設的閾值，則該節點發布自己是簇頭的消息。該閾值設置如公式（1）所示：

在LEACH算法中，每一輪循環構造簇的能量開銷比較大。其次，遠離匯聚節點的簇頭節點可能會由于長距離發送數據而過早耗盡自身能量，造成節點死亡甚至網絡分割。另外，LEACH算法沒有考慮簇頭節點剩余的能量狀況，如果能量很低的節點當選為簇頭的話，將會加速該節點的死亡，從而影響整個網絡的生命周期。

2SEP算法概述

SEP（SmartEnergyProtocol）協議是在LEACH協議基礎上提出的一種二重異構網絡的分簇協議。這種協議考慮實際情況中節點往往出現初始能量不一致的情況，比如在有些網絡中，一部分節點已經死亡，為了確保數據采集的完整性人們必須增加新的節點來代替原來死亡節點，這些新節點的能量很可能與原來能量不一致。這樣就形成了一個能量不同的新的異構網絡。

SEP根據節點之間能量的高低將節點分為了普通節點和優選節點，優選節點的能量高于普通節點，因此優選節點承擔的數據采集、處理轉發任務也必須高于普通節點，極有可能成為簇頭。與LEACH協議不同，SEP在成簇時，選擇的簇頭節點是能量較高的，且定義的優選節點和普通節點的身份不是一成不變的，有可能隨著優選節點成為簇頭的次數越來越多，節點能耗相對較低，其他節點成為了能量較高優選節點。

SEP協議首次提出了基于節點初始能量異構的網絡模型，各個節點也采用輪換的方式擔任簇頭，使網絡的能量消耗均勻分配于各個節點中。并且根據不同節點間初始能量的不同來確定節點被選為簇頭的概率，很好的解決了低能量節點被選為簇頭的問題。相對于LEACH，這樣簇頭的選舉更加合理，充分利用了高級節點具備較多能量的條件，延長了網絡了穩定期。

3LEACH與SEP仿真比較

3.1仿真參數設置

本文采用MATLAB仿真平臺對LEACH協議和SEP協議對可穿戴無線傳感器網絡的生命周期影響進行仿真分析，假定可穿戴無線傳感器網絡仿真范圍選定在平方米的區域;基站坐標設為（50，50）;優選節點和普通節點總數為100，并隨機分布，這意味著每一個傳感器節點的橫坐標和縱坐標在0到100之間隨機的選取;初始能量設為0.02J;傳輸能耗和接收能耗的大小都設置為50*0.00000000001J;傳輸放大耗能則根據不同類型參數設置為不同的值，其中的參數值大小設置為10*0.00000000001J，的參數值大小設置為0.0013*0.00000000001J;數據耗能值設置為5*0.00000000001J;由于在后期節點大部分死亡，仿真以失去實際意義，所以在這里我們將輪換的次數設置為r一max=1999，也就是說仿真會有1999次循環。

3.2仿真結果分析

從圖1左圖可以看出LEACH協議在仿真進行到1999輪后仿真區域中僅剩余4個節點，而SEP協議（右圖）1999輪時仿真區域中依舊存活的普通節點和優先節點的數量和為17，并且從仿真過程中發現LEACH協議在進行到大約第230輪時已經出現了第一個節點死亡，而SEP中第一個死亡節點大約出現在第400輪仿真的時刻。這說明相比較于LEACH協議，SEP能延后第一個節點死亡時間。

圖2表明在200輪之前LEACH協議簇頭數量平均在8左右，在第200輪后簇頭數量開始呈下降的趨勢，在進行到1000輪時簇頭數量僅僅處于2個的平均水平。而SEP在600輪之前簇頭數量平均在10左右，在第600輪后簇頭數量大體上開始呈下降的趨勢，在進行到1600輪時簇頭數量基本趨于4個的穩定水平。這表明SEP協議的簇頭在多數時刻多于LEACH協議。

從圖3可以看出1000輪之前SEP比LEACH節點死亡率慢的多，后來SEP協議的節點死亡較LEACH節點死亡稍快。這是由于到后期SEP協議所有節點的剩余能量基本上差不多，故大部分節點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協議的剩余節點數一直高于LEACH且整體較為穩定，節點生存周期加長。

4總結

本文主要對LEACH和SEP兩種協議進行概述并且分析兩個協議在應用于可穿戴無線傳感器網絡時對網絡生存周期的影響情況，可以看出SEP相較于LEACH能顯著延長網絡節點的生存時間并提高網絡的生存周期，能耗平衡和能源利用率較好。

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