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

1、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间隔 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，建立簇头与会聚节点间的通信链路。使用Matlab对算法进展仿真实验分析，结果说明，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；多跳树簇拓扑构造；多跳传输中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302202108-00-040 引

2、言一个成熟传感器网络有许多传感器节点，这些传感器节点进展数据的采集、压缩、识别、交融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，需要与会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协议的根底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中选为簇头，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

3、好后，SEP协议建立了簇头与会聚节点间的直接通信链路，致使远间隔 的簇头节点与会聚节点的通信能量消耗非常大。如何平衡间隔 会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，选择能量高的节点中选为簇头，以及采用多跳树簇拓扑构造路由通信机制实现簇头与会聚节点的通信，减少了间隔 会聚节点较远的簇头节点的能量开销，从而平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。实验说明，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S

4、EP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，并将数据传输到会聚节点Sink，会聚节点把接收的数据进展处理，从中得到有价值的信息。而传感器节点与会聚节点如何通信，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：网络被划分为假设干个簇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会聚节点Sink。分簇协议以轮为单位，每轮分为簇头的建立

5、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，但存在以下缺乏：1在每轮动态成簇的过程中，会随机产生簇头，假设能量低的节点中选为簇头，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簇头向会聚节点传输数据时，采用直接通信方式如图1所示的虚线线路，耗能单一，但随着间隔 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。针对上述缺乏，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

6、标准，剩余能量高的节点优先被选为簇头，以防止能量低的节点中选簇头，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构造通信机制如图1所示的实线线路，使传感器网络中的簇头和会聚节点通信时，尽可能采用多跳方式以节省能量，平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，需要一个适宜的能量模型对算法在传感器网络中的能量消耗进展模拟，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展实现时，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、数据交融耗能

7、、数据接收耗能三个部分，以对网络传输中的能耗进展模拟。本文采用的耗能模型假设：节点A向间隔 为d的另一节点B传输L比特的信息，那么A节点发送耗能的计算公式为：每个簇头节点交融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间隔 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簇头和会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

8、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，防止能量低的节点中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01之间的随机数rand。假设随机数小于阈值Tn，那么该节点被选为簇头。在该技术中随机数rand的生成以及阈值Tn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中选为簇头的概率。 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。第二轮完毕后，节点19到24均未被选为簇头，和第一轮结果比照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

9、为坐标不一，所要参加的簇min_dis_cluster也不一样。中间结果说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协议路由算法进展比照，可明显看出本文算法的有效性。将剩余能量参加选择簇头的标准，让剩余能量高的节点被选为簇头的几率增大，防止了因为能量缺乏造成节点过早死亡的现象；通过参加多跳树簇拓扑构造通信机制，使得簇头到会聚节点间的通信更具有灵敏性，减少了网络传输中的能量开销，比照结果说明本文算法到达了延长网络生存周期的目的。4 结 语本文通过对稳定

10、异构网络协议SEP进展分析，发如今大规模传感器网络中存在节点过早死亡的现象，以及远间隔 数据传输能耗大的缺乏，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中选为簇头的概率，并采用多跳树簇拓扑通信构造的方式，在簇头和会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杨莉莉.SEP2.0通信协议研究J.中国新通信，202112：80.3杨永健，贾冰，王杰.无线传感器网络中LEACH协议的改进J.北京邮电大学学报，20211：105-109.4李岩，张曦煌，李彦中.基于LEACH协议的簇头多跳LEACH-M算法J.计算机工程与设计，2007，2817：4158-4160.5沈波，张世永，钟亦平.无线传感器网络分簇路由协议J.软件学报，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张志东，孙雨耕，刘洋，等.无线传感器网络能量模型J. 天津大学学报，2007，409：1029-1034.8丁男，谭国真，由笛，等.一种基于WSN时变性与节点剩余能量平衡的时机路由算法J.电子与信息学报，2021，353：715-720