异构无线传感器网络分布式节能分簇算法的设计(DEEC)

一、理论基础

1、LEACH

请参考这里。

2、SEP

请参考文献[2]。

3、LEACH-E

LEACH-E算法对LEACH算法的改进如下。

（1）簇头选取机制

新的簇头选取公式为$$T(n)=\{\begin{array}{l}\frac{p}{1-p(rmod(1/p))}\frac{E_{i\_rest}}{E_{av}}n\in G\\ 0else\end{array}\text{\hspace{1em}(1)}$$簇头的选取考虑了节点剩余能量$E_{i\_rest}$以及网络平均能量$E_{av}$。假设当前轮网络存活节点的数目为$n$，网络剩余的总能耗$$E_{total}=\sum _{i=1}^n{E}_{i\_rest}\text{\hspace{1em}(2)}$$网络平均能量$$E_{av}=E_{total}/n\text{\hspace{1em}(3)}$$

（2）BS充当簇头

普通节点在选择簇头时，会计算与所有簇头的距离以及与BS之间的距离，如果与BS距离更小，则可以直接选择BS充当簇头，因为BS通常是没有能量限制的，可通过增加BS的能耗分担网络内的能耗，以此延长网络寿命。

4、DEEC

（1）基于剩余能量的簇首选择算法

新的簇头选取公式为$$T(s_i)=\{\begin{array}{l}\frac{p_i}{1-p_i(rmod(\frac{1}{p_i}))}if{s}_i\in G\\ 0otherwise\end{array}\text{\hspace{1em}(4)}$$其中，$$p_i=\frac{p_{opt}N(1+a)E_i(r)}{(N+{\sum }_{i=1}^N{a}_i)\bar{E}(r)}\text{\hspace{1em}(5)}$$

（2）估计网络的平均能量

由式(6)所示：$$\bar{E}(r)=\frac{1}{N}{E}_{total}\left(1-\frac{r}{R}\right)\text{\hspace{1em}(6)}$$其中$R$表示网络生存期的总轮数。这意味着每一个节点在每一轮中消耗相同的能量。$R$可近似如下：$$R=\frac{E_{total}}{E_{round}}\text{\hspace{1em}(7)}$$我们使用与[1]中提出的相同的能量模型。在通过距离$d$传输$l$位信息的过程中，无线电消耗的能量由以下公式给出：$$E_{Tx}(l,d)=\{\begin{array}{l}l{E}_{elec}+l{\epsilon }_{fs}{d}^2,d<d_0\\ l{E}_{elec}+l{\epsilon }_{mp}{d}^4,d\ge d_0\end{array}\text{\hspace{1em}(8)}$$其中，$E_{elec}$指定运行发送器或接收器电路所消耗的每比特能量，而${\epsilon }_{fs}$或${\epsilon }_{mp}$是取决于发送器放大器型号的放大器能量。
我们假设$N$个节点在$M\times M$区域内均匀分布，并且为了简单起见，基站位于场的中心。每个普通节点向簇头发送一轮$L$位数据。因此，在一轮中，网络中消耗的总能量等于：$$E_{round}=L(2N{E}_{elec}+N{E}_{DA}+k{\epsilon }_{mp}{d}_{toBS}^4+N{\epsilon }_{fs}{d}_{toCH}^2)\text{\hspace{1em}(9)}$$其中$k$是簇数，$E_{DA}$是簇头中消耗的数据聚合能量，$d_{toBS}$是簇头与基站之间的平均距离，$d_{toCH}$是簇成员与簇头之间的平均距离。假设节点是均匀分布的，我们可以得到：$$d_{toCH}=\frac{M}{\sqrt{2\pi k}},d_{toBS}=0.765\frac{M}{2}\text{\hspace{1em}(10)}$$通过将$E_{round}$对$k$的导数设为零，我们得到了最佳簇数为：$$k_{opt}=\frac{\sqrt{N}}{\sqrt{2\pi }}\sqrt{\frac{{\epsilon }_{fs}}{{\epsilon }_{mp}}}\frac{M}{d_{toBS}^2}\text{\hspace{1em}(11)}$$

二、仿真与分析

图1显示了DEEC分簇情况。

图1 DEEC分簇图

1、存活节点数

图2显示了参数$m=0.2,a=3$时的结果，图3显示了$m=0.1,a=5$时的结果。

图2 m=0.2,a=3时的每轮存活节点数比较

图3 m=0.1,a=5时的每轮存活节点数比较

2、基站接收的数据包个数

图4显示了$m=0.2,a=3$时的基站接收的数据包个数的比较结果。

图4 m=0.2,a=3时的基站接收的数据包个数的比较

3、死亡节点个数

图5 m变化时,第一个节点死亡的轮数

图6 a变化时,第一个节点死亡的轮数

图7 m变化时,死亡10%节点的轮数

图8 a变化时,死亡10%节点的轮数

4、结论

本文描述了一种用于异构无线传感器网络的能量感知自适应分簇协议DEEC。在DEEC中，每个传感器节点根据其初始能量和剩余能量独立地选择自己作为簇头。为了通过自适应方法控制节点的能量消耗，DEEC使用网络的平均能量作为参考能量。与SEP和LEACH不同，DEEC在多层次异构无线传感器网络中表现良好。
具体代码细节可参考：
链接：https://pan.baidu.com/s/1YT12gXsC3NXP0SmsHsqZ0A
提取码：fgfh

三、参考文献

[1] Heinzelman W R , Chandrakasan A , Balakrishnan H . Energy-Efficient Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]// hicss. IEEE Computer Society, 2000.
[2] G. Smaragdakis, I. Matta, A. Bestavros, SEP: A Stable Election Protocol for clustered heterogeneous wireless sensor networks, in: Second International Workshop on Sensor and Actor Network Protocols and Applications (SANPA 2004), 2004.
[3] W.R. Heinzelman, A.P. Chandrakasan, H. Balakrishnan, An application-specific protocol architecture for wireless microsensor net works, IEEE Transactions on Wireless Communications 1 (4) (2002) 660–670.
[4] 韩广辉, 张丽翠, HAN,等. 基于LEACH协议的无线传感网能效分簇算法[J]. 吉林大学学报(信息科学版), 2017, 01(v.35):29-34.
[5] Li, Qing, and, et al. Design of a distributed energy-efficient clustering algorithm for heterogeneous wireless sensor networks - ScienceDirect[J]. Computer Communications, 2006, 29(12):2230-2237.