基于SEP协议和无线传感网节点剩余能量的多跳传输节能算法的实现
摘 要：针对基于SEP协议实现的传感器网络存在簇头节点过早死亡的现象和远距离通信网络传输能耗大的弊端。文中设计了一种基于节点剩余能量的多跳传输节能算法。该算法把剩余能量高的节点作为簇头的候选节点，采用多跳树簇拓扑通信机制，建立簇头与汇聚节点间的通信链路。使用Matlab对算法进行仿真实验分析，结果表明，该算法减小了用于网络传输的能量开销，有效延长了网络的生命周期。
关键词：SEP协议；节能算法；节点剩余能量；多跳树簇拓扑结构；多跳传输
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-04
0 引 言
一个成熟传感器网络有许多传感器节点，这些传感器节点进行数据的采集、压缩、识别、融合等多种处理以满足用户的多样化需求。但传感器节点体积小、能量有限，大都采用电池供电，需要与汇聚节点通信来上传采集的数据，且通信耗能比较大。因此，如何降低传感器网络中的通信耗能以延长网络的生命周期是本文的重点。
SEP协议是一种二重异构网络分簇路由协议[1，2]，它是在LEACH协议的基础上提出的适应异构网络的协议[3，4]。异构网络中节点有两种，一种是普通节点，另一种是高能量节点。但由于SEP协议在每轮成簇过程中，随机选择的簇头会使能量低的节点当选为簇头，使节点过早死亡，因此选择簇头时，应选择能量高的节点作为簇头。簇头选择好后，SEP协议建立了簇头与汇聚节点间的直接通信链路，致使远距离的簇头节点与汇聚节点的通信能量消耗非常大。如何均衡距离汇聚节点远近簇头节点的能量消耗，也决定了传感器网络生命周期的长短。
因此，本文基于SEP协议设计了一种基于节点剩余能量的多跳传输节能算法。该算法在每轮选择簇头时考虑网络中所有节点的剩余能量，选择能量高的节点当选为簇头，以及采用多跳树簇拓扑结构路由通信机制实现簇头与汇聚节点的通信，减少了距离汇聚节点较远的簇头节点的能量开销，从而均衡了传感器网络中簇头节点的能耗，延长了网络的生命周期。
实验表明，基于改进后的SEP协议设计实现的算法比普通SEP协议算法有更长的生存周期。
1 基于SEP协议动态随机选择簇头和簇头直接通信的解决方案
在无线传感器网络中，由传感器节点感知区域数据，并将数据传输到汇聚节点（Sink），汇聚节点把接收的数据进行处理，从中得到有价值的信息。而传感器节点与汇聚节点如何通信，本文采用分簇路由通信协议。这种分簇协议在节约能量上更有优势[5]。分簇的思想是：网络被划分为若干个簇（Cluster），每个簇按照一定的选举机制选举一个节点作为簇头（Cluster Head）。每个簇内除了簇头，其他节点均为成员节点（Cluster Member）。成员节点负责感知区域数据，并将数据传输到相近的簇头，簇头将数据以自组织的方式传送到汇聚节点（Sink）。分簇协议以轮为单位，每轮分为簇头的建立和稳定通信阶段。
SEP协议是一种异构无线传感器网络的稳定分簇选举协议。它在节点能量分布不均的情况下，解决了簇头节点耗能高的问题，但存在以下不足：
（1）在每轮动态成簇的过程中，会随机产生簇头，若能量低的节点当选为簇头，会使某些节点过早死亡，加速第一个死亡节点出现的时间，进而缩短网络的稳定期；
（2）簇头向汇聚节点传输数据时，采用直接通信方式（如图1所示的虚线线路），耗能单一，但随着距离的增大，簇头节点能耗急剧增加，导致传感器网络中节点能耗不均，影响传感器网络的稳定性，进而缩短传感器网络的生命周期。
针对上述不足，本文提出了如下解决方案：
（1）针对簇头节点过早死亡的现象，在建立簇头时，把节点剩余能量列为选择簇头的标准，剩余能量高的节点优先被选为簇头，以避免能量低的节点当选簇头，使其能量过早耗尽。
（2）针对直接通信的弊端，提出多跳的树簇拓扑结构通信机制（如图1所示的实线线路），使传感器网络中的簇头和汇聚节点通信时，尽可能采用多跳方式以节省能量，均衡簇头节点的能量消耗。
2 基于SEP协议的无线传感器网络节点剩余能量多跳传输节能算法及其实现过程
本文算法在实现前，需要一个合适的能量模型对算法在传感器网络中的能量消耗进行模拟，以验证算法在延长网络生命周期中的作用。
2.1 算法的能量模型
在对算法进行实现时，采用第一顺序能量模型来模拟传感器网络中各个节点的能量消耗[6，7]。该模型把节点能量的消耗分为数据发送耗能、数据融合耗能、数据接收耗能三个部分，以对网络传输中的能耗进行模拟。
本文采用的耗能模型假设：节点A向距离为d的另一节点B传输L比特的信息，则A节点发送耗能的计算公式为：
每个簇头节点融合1 b数据所消耗的能量为EDA。
2.2 基于SEP协议的无线传感器网络节点剩余能量多跳传输节能算法
由于基于SEP协议实现的传感器网络存在节点过早死亡的现象和远距离通信能耗大的弊端，本文设计的基于节点剩余能量多跳传输的节能算法基于SEP协议做了以下两处改进：
（1）把节点剩余能量列为簇头选择的标准；
（2）簇头和汇聚节点通信时采用多跳树簇拓扑通信机制。
2.2.1 剩余能量列为选举簇头标准
选择簇头时要考虑节点的剩余能量[8]，这就需对SEP协议中随机选择簇头的方法做改进，以增加能量高的节点被选为簇头的概率，避免能量低的节点当选簇头而出现节点过早死亡的现象[9]。
SEP协议的自适应成簇技术是在簇头建立阶段，传感器节点生成0～1之间的随机数rand。如果随机数小于阈值T（n），则该节点被选为簇头。在该技术中随机数rand的生成以及阈值T（n）的计算均与节点剩余能量无关，这样不利于高能量节点被选为簇头。可通过减小随机数rand的值来增大剩余能量高的节点当选为簇头的概率。 算法第一轮执行过后，部分节点产生的中间结果如图4所示。
第二轮结束后，节点19到24均未被选为簇头，和第一轮结果对比可知未被选为簇头的节点能量E消耗缓慢。且节点在选择簇头时各节点因为坐标不一，所要加入的簇（min_dis_cluster）也不一样。
中间结果表明本文算法很好地实现了分簇路由通信协议的思想，并且用第一顺序能耗模型能很好地模拟网络中的能量消耗。
3.2 算法的运行结果分析
某一轮的簇划分与簇头的选择过程如图6所示。
将本文算法与基于SEP协议路由算法进行对比，可明显看出本文算法的有效性。将剩余能量加入选择簇头的标准，让剩余能量高的节点被选为簇头的几率增大，避免了因为能量不足造成节点过早死亡的现象；通过加入多跳树簇拓扑结构通信机制，使得簇头到汇聚节点间的通信更具有灵活性，减少了网络传输中的能量开销，对比结果表明本文算法达到了延长网络生存周期的目的。
4 结 语
本文通过对稳定异构网络协议SEP进行分析，发现在大规模传感器网络中存在节点过早死亡的现象，以及远距离数据传输能耗大的不足，设计了一种基于节点剩余能量的多跳节能算法。该算法在选取簇头时，增大了剩余能量高的节点当选为簇头的概率，并采用多跳树簇拓扑通信结构的方式，在簇头和汇聚节点建立了一条多跳树状数据传输链路，有效降低了用于网络传输的能量消耗，延长了网络的生命周期。
参考文献
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