礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于LEACH路由協(xié)議的改進(jìn)方案

1、礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基于LEACH路由協(xié)議的改進(jìn)方案摘要：針對(duì)我國(guó)煤礦井下特殊的環(huán)境，基于LEACH路由協(xié)議提出新的高效，能量均衡的分簇路由協(xié)議。簇首節(jié)點(diǎn)選取將以鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量與節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量的比值，與鄰居節(jié)點(diǎn)的距離作為節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)簇頭的參數(shù)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均加入距離自己最近的簇頭節(jié)點(diǎn)；經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的簇首節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)多跳方式通信，最終將融合后的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面的監(jiān)控系統(tǒng)。利用NS2進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)后的協(xié)議能夠均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間，適應(yīng)煤礦井下特殊環(huán)境。1 前言目前，我國(guó)煤礦采用的檢測(cè)系統(tǒng)都以工業(yè)總線作為基礎(chǔ)，井下檢測(cè)系統(tǒng)與地面信息中心一般通過(guò)電纜或

2、者光纖連接，構(gòu)成有線的檢測(cè)系統(tǒng)。但有線系統(tǒng)對(duì)線路依賴性強(qiáng)，受布線局限，且需要專業(yè)人員維護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)使局部區(qū)域失去監(jiān)測(cè)能力。因此，有線通信其擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，靈活性存在不足，成本較高。但無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給煤礦監(jiān)控帶來(lái)前所未有的希望，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有放置靈活、擴(kuò)展簡(jiǎn)便、移動(dòng)性強(qiáng)、具有自組織性等特點(diǎn)，因此建立基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)有線監(jiān)控系統(tǒng)起到強(qiáng)大的補(bǔ)充功能，無(wú)線與有線的結(jié)合，將極大的提高全煤礦的安全監(jiān)控水平。但是，通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，在10100 m范圍內(nèi),節(jié)點(diǎn)只能與其射頻覆蓋范圍內(nèi)的鄰居直接通信，因此限制了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大規(guī)模范圍的應(yīng)用?，F(xiàn)有的路

3、由協(xié)議具有良好的自組織性，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的自組織性能，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，但大多數(shù)適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的能耗分布不均衡，不適用于工作面有限異質(zhì)可變空間，并且工作面的不斷向前推進(jìn)，信息流量不均衡，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的自組織性也提出了更高的要求。2 LEACH路由協(xié)議路由協(xié)議按網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為2類：平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。在平面路由協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)地位平等，通過(guò)局部操作和反饋信息來(lái)生成路由。平面路由缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢。在分簇路由協(xié)議中，通常對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，若干地理位置相鄰的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)選舉一個(gè)簇首。簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集、融合及簇間數(shù)據(jù)

4、的轉(zhuǎn)發(fā)。分簇路由便于管理，能對(duì)系統(tǒng)變化做出快速反應(yīng)，為網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。典型的分簇路由協(xié)議LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)協(xié)議是Heinzelman等人2002年提出的基于分簇的層次性路由協(xié)議，它采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地按照一定概率決定自己是否做簇首，周期性地進(jìn)行簇首選舉和網(wǎng)絡(luò)重組，避免簇首節(jié)點(diǎn)能耗過(guò)多，影響網(wǎng)絡(luò)壽命。相比一般的平面協(xié)議或靜態(tài)分簇協(xié)議，LEACH可以減少網(wǎng)絡(luò)能量損耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。在此基礎(chǔ)上，很多人基于不同應(yīng)用提出了改進(jìn)方案，如Stephanie Lindsey等人提出的PEGASIS（power

5、-efficient gathering in sensor information systems）協(xié)議，就是對(duì)LEACH協(xié)議的改進(jìn)，其基本思想是使節(jié)點(diǎn)僅和它們最近的鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，增加網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，這些分簇路由協(xié)議具有很好的自組織特性，一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)性能，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。但在工作面上無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由信息采集端向外單向傳輸，組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一種帶狀分布、信息流量不均衡的網(wǎng)絡(luò)，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)的功耗分布不均，接近出口的匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量大，負(fù)載重，壽命短等現(xiàn)象。另外，隨工作面的不斷向前推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將隨之變化?，F(xiàn)有的路由協(xié)議無(wú)法滿足礦井下這種特殊環(huán)境。因此在LEACH路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，

6、本文提出了一種能量平衡的大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和均衡能耗相結(jié)合。3 網(wǎng)絡(luò)模型3.1 假設(shè)為增加模擬工作面的真實(shí)性，我們將仿真場(chǎng)景大小設(shè)置為長(zhǎng)帶狀區(qū)域，N個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的布置在該區(qū)域。節(jié)點(diǎn)需滿足以下條件：1 所有的節(jié)點(diǎn)具有相同的且與無(wú)線電信號(hào)在各個(gè)方向上能耗相同，各節(jié)點(diǎn)的初始能量相等且能量有限，能感知自己的剩余能量，且具有功率控制能力可以改變發(fā)射功率，從而控制發(fā)送的距離，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有足夠的計(jì)算能力支持不同的MAC協(xié)議和數(shù)據(jù)處理。2 所有節(jié)點(diǎn)的通信距離不超過(guò)節(jié)點(diǎn)的有效通信距離 3 sink節(jié)點(diǎn)是固定放置在巷道的末端，且有持續(xù)的電源供給4 相鄰節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性，可進(jìn)

7、行數(shù)據(jù)融合5 所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步3.2具體的能量公式該模型考慮了發(fā)射電路的發(fā)射能量、接收電路接收能量, 且能量損耗與傳輸距離有關(guān)。發(fā)射機(jī)發(fā)射m比特消息消耗的能量為： （1）接收機(jī)接收m比特消息消耗的能量為： (2)為發(fā)射m比特?cái)?shù)據(jù)所消耗的能量，為收到m比特?cái)?shù)據(jù)所消耗的能量，為傳輸距離，為每發(fā)送或接收1比特?cái)?shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，為自由空間常數(shù)，為多路徑衰落傳輸常數(shù)，和與所采用的輸信道模型有關(guān)。為傳輸距離的門限值，當(dāng)傳輸距離大于時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南南喈?dāng)大。4分簇路由協(xié)議改進(jìn)方案4.1 簇形成過(guò)程在LEACH協(xié)議中，簇首的產(chǎn)生具有很大的隨機(jī)性，不能均衡能耗。礦井工作面的特殊地形，各個(gè)簇都是相鄰的，LEAC

8、H協(xié)議沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，地理位置等因素。因此，我們根據(jù)工作面的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)改進(jìn)的LEACH協(xié)議LEACHIM 協(xié)議。在LEACH的基礎(chǔ)上，簇頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N，我們假設(shè)理想的成簇概率為P，最終成簇的數(shù)目為K=NP。簇首節(jié)點(diǎn)選取將以鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量與節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量的比值，擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)及鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)作為節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)簇頭的參數(shù)。將能量的比值轉(zhuǎn)化成時(shí)延，比值越小，時(shí)延越小，反之時(shí)延越大。網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)在成為簇頭之前，均等待一個(gè)時(shí)延，時(shí)延先到達(dá)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先成為簇首節(jié)點(diǎn)。在描述算法之前，先規(guī)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存各自信息（節(jié)點(diǎn)ID，初始能量，節(jié)點(diǎn)剩余能量）及鄰居節(jié)點(diǎn)信息（節(jié)點(diǎn)ID，剩余能量）。每輪

9、分簇開始時(shí)，規(guī)定獲取鄰居節(jié)點(diǎn)信息時(shí)段為TD。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將以通信半徑r,廣播自身信息（節(jié)點(diǎn)ID,節(jié)點(diǎn)剩余能量Er）然后接收鄰居節(jié)點(diǎn)信息，并更新本節(jié)點(diǎn)信息中鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量Ea和鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)d。任取某節(jié)點(diǎn)Vi ，鄰居節(jié)點(diǎn)Vj，則Vi節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量為： (3)當(dāng)Vi節(jié)點(diǎn)的剩余能量>時(shí)： (4)當(dāng)Vi節(jié)點(diǎn)的剩余能量時(shí)： (5)在上式中的E是節(jié)點(diǎn)的初始能量，是一個(gè)均勻分布在0.9,1之間的一個(gè)隨機(jī)實(shí)數(shù)，其作用是減小兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可能取相同t值的概率。在LEACH協(xié)議中簇首的選擇還考慮到該節(jié)點(diǎn)在過(guò)去的操作中擔(dān)當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)的次數(shù)，在LEACHIM協(xié)議中，我們將節(jié)點(diǎn)擔(dān)當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)的總時(shí)間作為衡量參數(shù)。我

10、們將采用基于加權(quán)的分簇算法。節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值計(jì)算公式表示為： (6)其中，、是加權(quán)因子且滿足。表示由上式鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量與節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量的比值轉(zhuǎn)化成的時(shí)延；表示該節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行開始當(dāng)過(guò)簇首的總時(shí)間。若節(jié)點(diǎn)的剩余能量較多，擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)的時(shí)間較短，則時(shí)延先到達(dá)的節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先成為簇頭節(jié)點(diǎn)。簇首確定后，其他節(jié)點(diǎn)從睡眠中醒來(lái)，接收簇首節(jié)點(diǎn)廣播的信息，依據(jù)距離遠(yuǎn)近選擇要加入的簇，并向簇首發(fā)送個(gè)人信息。簇首在接到節(jié)點(diǎn)加入信息后，將根據(jù)加入節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，為簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)通信時(shí)隙，告知節(jié)點(diǎn)何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),至此就形成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。簇形成之后就不再改變，當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)低于預(yù)設(shè)的門限值后，將在簇內(nèi)重新選擇簇首節(jié)點(diǎn)，選擇

11、依據(jù)依然參照公式（6）。4.2 數(shù)據(jù)傳輸形成簇之后，簇首節(jié)點(diǎn)將對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理和融合，隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。數(shù)據(jù)傳輸包括簇內(nèi)傳輸和簇間傳輸。簇內(nèi)傳輸采用TDMA模式，可有效的防止信道沖突，節(jié)約能量；而簇間傳輸，傳輸數(shù)據(jù)量大，能耗大，考慮到工作面的特殊環(huán)境和采集檢測(cè)數(shù)據(jù)的冗余性，我們采用最小生成樹算法的多跳路由，實(shí)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)的通信。5仿真結(jié)果為了比較LEACH及其改進(jìn)協(xié)議LEACH-IM的性能，將這兩個(gè)算法在NS2中仿真。假設(shè)仿真環(huán)境為400m * 10m,節(jié)點(diǎn)總數(shù)N=200個(gè)，節(jié)點(diǎn)的初始能量為2J,sink節(jié)點(diǎn)位于原點(diǎn)（0,0），理想的成簇概率為P=8%，能量模型參數(shù)參

12、照文獻(xiàn)y：，代入公式可以得到有效通信距離，但參照文獻(xiàn)y，依照具體的應(yīng)用環(huán)境，有效通信距離為。最優(yōu)簇首節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。簇內(nèi)簇間數(shù)據(jù)融合率設(shè)置為0.7。圖1圖1顯示了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)死亡率隨工作周期數(shù)的變化情況。從圖中結(jié)果可以看出，LEACH-IM在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間方面性能突出。此外,從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始死亡的時(shí)間點(diǎn)來(lái)看, LEACH-IM也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果還表明，LEACH-IM死亡速率變化相當(dāng)緩慢。表明CEUC使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗分布趨于平均,使各節(jié)點(diǎn)的能量幾乎同時(shí)耗盡,避免了某些節(jié)點(diǎn)被過(guò)度使用。圖2圖2在能耗指標(biāo)上對(duì)LEACH和LEACH-IM進(jìn)行了比較?？梢钥吹?， LEAC-IM方法使得簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗均衡，

13、每輪的能耗都比LEACH協(xié)議少很多；而LEACH簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗與簇首位置分布及數(shù)目相關(guān)，當(dāng)簇首分布均勻時(shí)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗均衡，反之不均衡，因此每輪的性能十分不穩(wěn)定。新的算法比LEACH有了顯著改進(jìn)。4結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)LEACH協(xié)議的分析，并針對(duì)礦井下的實(shí)際環(huán)境對(duì)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。仿真結(jié)果顯示,改進(jìn)后的協(xié)議能更好地平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、節(jié)約能量消耗且具有更高的能量使用效率,實(shí)現(xiàn)了多方面的優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1 孫利民,李建中,陳渝,等.“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”M.北京:清華大學(xué)出版社,2005:3-4.Sun 2 徐衛(wèi)克.LEACH協(xié)議成簇機(jī)制的改進(jìn)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化A 2010年第11期：7279 Xu Weike. 3 吳征

14、,朱軍,韓永遠(yuǎn)。一種新的基于LEACH的WSN分簇協(xié)議J，計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2010.Vol.20 No.5:2933 4 周莉娟,陳光柱,羅成名.采煤工作面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信信道建模,傳感技術(shù)學(xué)報(bào)。2010 Vol 23 No.5: 722726 5 Soojung Hur,Jaehyen Kim,Jeonghee Choi,Yongwan Park .“An Efcient Addressing Scheme and Its Routing Algorithmfor a Large-ScaleWireless Sensor Network” EURASIP Journal onWir

15、eless Communications and Networking. Volume 2008,1136 Neeraj Kumar, Manoj Kumar, R.B. Patel. “Coverage and Connectivity Aware Neural Network Based Energy Efficient Routing in Wireless Sensor Networks” International jouenal on applications of graph theory in wireless ad hoc networks and sensor networks,Vol.2,No1,2010：45607 Adeel Akhtar, Abid Ali Minhas, and Sohail Jabbar .“Energy Aware Intra Cluster Routing for Wireless Sensor Networks” International Journal of Hybrid Information Technology Vol.3, No.1, January, 2010 :2947