基于可穿戴无线传感器网络分簇协议仿真

梁建航　张林丛　敖然　齐继锋

摘要：本文主要针对LEACH和SEP两种协议在应用于可穿戴无线传感器网络时，对网络的生命周期的影响进行仿真分析。结果表明，SEP协议使得网络稳定性高，生命周期长。

[关键词]LEACH协议SEP协议可穿戴无线传感器网络生命周期

可穿戴无线传感器网络（WWSN）是一种自组织网络，由大量穿戴或嵌入人体的成本低且综合采集数据、处理数据和无线通信能力的传感器节点组成。可以收集复杂的体征数据和环境数据并实现数据的处理和转发。可穿戴无线传感器网络在环境监测、目标追踪、灾害预测等领域内有着非常重要的作用。在WWSN中，节点一旦部署在人身上就基本无法进行能量供给，因此在进行路由设计时需要能耗的限制，同时WWSN节点数目往往很大，节点没有足够能力获取全局信息，只能获取局部拓扑结构信息，因此路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。

本文对无线传感器网络中常用的分簇算法一LEACH和SEP进行仿真比较，着重观察两个算法在应用于WWSN时，对网络生命周期的影响。

1LEACH算法概述

LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）协议采用的是分簇拓扑算法，它的执行过程分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。因为是周期性的算法，所以每个阶段都会执行这两个步骤。在簇的建立阶段，一个区域中相邻的多个节点组成簇，随机产生一个簇头;在数据通信阶段，簇内节点需要先把数据发送给簇头，然后簇头进行数据融合后把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成收集数据、数据融合和汇聚节点通信等工作，所以能量消耗相比于其他节点大。LEACH算法中各节点担任簇头的概率是一样的，使得网络中的节点都有机会成为簇头，相对的促进能耗均衡。

LEACH在执行时不断地循环簇的重构这个过程，并在算法操作上使用了“轮”的概念，每一轮由初始化和稳定的工作两个阶段组成。在初始化阶段，每个节点产生一个0～1之间的随机数，如果某个节点产生的随机数小于所设的阈值，则该节点发布自己是簇头的消息。该阈值设置如公式（1）所示：

在LEACH算法中，每一轮循环构造簇的能量开销比较大。其次，远离汇聚节点的簇头节点可能会由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量，造成节点死亡甚至网络分割。另外，LEACH算法没有考虑簇头节点剩余的能量状况，如果能量很低的节点当选为簇头的话，将会加速该节点的死亡，从而影响整个网络的生命周期。

2SEP算法概述

SEP（SmartEnergyProtocol）协议是在LEACH协议基础上提出的一种二重异构网络的分簇协议。这种协议考虑实际情况中节点往往出现初始能量不一致的情况，比如在有些网络中，一部分节点已经死亡，为了确保数据采集的完整性人们必须增加新的节点来代替原来死亡节点，这些新节点的能量很可能与原来能量不一致。这样就形成了一个能量不同的新的异构网络。

SEP根据节点之间能量的高低将节点分为了普通节点和优选节点，优选节点的能量高于普通节点，因此优选节点承担的数据采集、处理转发任务也必须高于普通节点，极有可能成为簇头。与LEACH协议不同，SEP在成簇时，选择的簇头节点是能量较高的，且定义的优选节点和普通节点的身份不是一成不变的，有可能随着优选节点成为簇头的次数越来越多，节点能耗相对较低，其他节点成为了能量较高优选节点。

SEP协议首次提出了基于节点初始能量异构的网络模型，各个节点也采用轮换的方式担任簇头，使网络的能量消耗均匀分配于各个节点中。并且根据不同节点间初始能量的不同来确定节点被选为簇头的概率，很好的解决了低能量节点被选为簇头的问题。相对于LEACH，这样簇头的选举更加合理，充分利用了高级节点具备较多能量的条件，延长了网络了稳定期。

3LEACH与SEP仿真比较

3.1仿真参数设置

本文采用MATLAB仿真平台对LEACH协议和SEP协议对可穿戴无线传感器网络的生命周期影响进行仿真分析，假定可穿戴无线传感器网络仿真范围选定在平方米的区域;基站坐标设为（50，50）;优选节点和普通节点总数为100，并随机分布，这意味着每一个传感器节点的横坐标和纵坐标在0到100之间随机的选取;初始能量设为0.02J;传输能耗和接收能耗的大小都设置为50*0.00000000001J;传输放大耗能则根据不同类型参数设置为不同的值，其中的参数值大小设置为10*0.00000000001J，的参数值大小设置为0.0013*0.00000000001J;数据耗能值设置为5*0.00000000001J;由于在后期节点大部分死亡，仿真以失去实际意义，所以在这里我们将轮换的次数设置为r一max=1999，也就是说仿真会有1999次循环。

3.2仿真结果分析

从图1左图可以看出LEACH协议在仿真进行到1999轮后仿真区域中仅剩余4个节点，而SEP协议（右图）1999轮时仿真区域中依旧存活的普通节点和优先节点的数量和为17，并且从仿真过程中发现LEACH协议在进行到大约第230轮时已经出现了第一个节点死亡，而SEP中第一个死亡节点大约出现在第400轮仿真的时刻。这说明相比较于LEACH协议，SEP能延后第一个节点死亡时间。

图2表明在200轮之前LEACH协议簇头数量平均在8左右，在第200轮后簇头数量开始呈下降的趋势，在进行到1000轮时簇头数量仅仅处于2个的平均水平。而SEP在600轮之前簇头数量平均在10左右，在第600轮后簇头数量大体上开始呈下降的趋势，在进行到1600轮时簇头数量基本趋于4个的稳定水平。这表明SEP协议的簇头在多数时刻多于LEACH协议。

从图3可以看出1000轮之前SEP比LEACH节点死亡率慢的多，后来SEP协议的节点死亡较LEACH节点死亡稍快。这是由于到后期SEP协议所有节点的剩余能量基本上差不多，故大部分节点做为簇头的概率都是差不多的，所以死亡概率也是一样的。但从整体可以看出SEP协议的剩余节点数一直高于LEACH且整体较为稳定，节点生存周期加长。

4总结

本文主要对LEACH和SEP两种协议进行概述并且分析两个协议在应用于可穿戴无线传感器网络时对网络生存周期的影响情况，可以看出SEP相较于LEACH能显著延长网络节点的生存时间并提高网络的生存周期，能耗平衡和能源利用率较好。

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