基于煤礦巷道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)L E A C H路由協(xié)議的改進

蒯 偉，高曉輝，張嘉元

（1.海軍駐南京地區(qū)通信軍事代表室，南京 210014；2.南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是由很多無線傳感器節(jié)點組成，節(jié)點自組織地組成一個網(wǎng)絡(luò)，利用自身攜帶的傳感器感知信息、搜集數(shù)據(jù)并通過無線通信的方式發(fā)送到一個目的地，完成某一任務(wù)的智能型網(wǎng)絡(luò)。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗損毀性強等特點，是遠程環(huán)境監(jiān)測的重要工具。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，它的重要性日益突出，并可廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、軍事、環(huán)境檢測、工業(yè)、煤礦等領(lǐng)域。礦井下大多數(shù)區(qū)間如煤礦巷道呈現(xiàn)長帶狀，為了礦下工作人員的安全和對礦井下環(huán)境信息的實時掌握，需要對礦井下的環(huán)境進行監(jiān)測，特別是一些工作人員不適宜到達的區(qū)域。所以礦井下WSN 技術(shù)的應(yīng)用，則對于日益增多的礦難，礦井巷道安全，礦下環(huán)境檢測有著十分重要的意義。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點搜集數(shù)據(jù)并傳輸給Sink節(jié)點進行處理，而礦井下煤礦巷道區(qū)間受限，部署在煤礦巷道中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呈狹長的長帶狀分布，信息一般會向一側(cè)流向匯聚節(jié)點，這樣數(shù)據(jù)流就會呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)流量越大，最終會造成靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點能量消耗過大而過早死亡，大大限制了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，形成“熱區(qū)”問題[2]。另外布置的傳感器節(jié)點是自帶電源，電源又不能更換，使得降低傳感器節(jié)點的能量消耗和延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期尤為重要。

2 L EACH協(xié)議

2.1 算法描述

LEACH路由協(xié)議[3]是MIT的Chandrakasan等人專門為WSN設(shè)計的低功耗自適應(yīng)層次型路由算法。

LEACH協(xié)議的基本思想是不斷地隨機選擇簇首節(jié)點，從而將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載能夠平均分配到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，從而達到減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。LEACH引入了“輪”的概念，每一輪為一個固定時間，即一個周期，每一輪又分為簇的建立階段和簇的穩(wěn)定通信階段。在簇的建立階段，網(wǎng)絡(luò)隨機地選擇一些節(jié)點作為簇首，被選為簇首的節(jié)點向周圍發(fā)送廣播消息，其他節(jié)點則根據(jù)接收到的消息的信號強度決定加入哪個簇，并回復(fù)該簇首。

在簇的數(shù)據(jù)通信階段，節(jié)點將自己搜集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給簇首，簇首將收到數(shù)據(jù)進行簡單處理后，發(fā)送給Sink節(jié)點。所以簇首承受的任務(wù)比較重，能量消耗較大，所以要不斷的更換簇首，以平均整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。通信一段時間后，網(wǎng)絡(luò)的簇首會重新選舉，并進入新一輪的簇首選舉過程。所以與傳統(tǒng)協(xié)議相比，LEACH協(xié)議能節(jié)省許多能量，又利于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，而且，相對比較穩(wěn)定，所以適合應(yīng)用在礦井下。

2.2 L EACH協(xié)議應(yīng)用于長帶狀煤礦巷道的不足

在典型的分簇路由協(xié)議中，LEACH是第一個基于多簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，其中的成簇思想在以后的許多路由協(xié)議中都有引用。LEACH-C[4]、LEACH-F[5]、LEACH-ED[6]都是 在 LEACH 協(xié) 議 的基礎(chǔ)上，從不同角度對LEACH協(xié)議進行的該進，但很少關(guān)注在環(huán)境復(fù)雜、呈長帶狀受限區(qū)間煤礦巷道下的礦井中的應(yīng)用。

但LEACH協(xié)議直接應(yīng)用在礦井下，還有一些不足之處：

（1）LEACH協(xié)議簇首選擇沒有考慮節(jié)點剩余能量，會造成同一節(jié)點多次擔任簇首，導(dǎo)致該節(jié)點負載過重，而使其過早死亡，不利于網(wǎng)絡(luò)生存時間延長。（2）由于節(jié)點的分布位置是隨機的，有些地方可能非常密集，有些地方非常稀疏，但是LEACH協(xié)議中沒有考慮節(jié)點的具體位置，會造成節(jié)點多的地方可能沒有簇首，節(jié)點少的地方有幾個簇首，簇首節(jié)點分布不均，隨之網(wǎng)絡(luò)能耗就不均衡，這在很大程度上影響了LEACH協(xié)議的性能。（3）LEACH協(xié)議中，每個簇的簇首節(jié)點與基站之間直接進行通信，但是實際中煤礦巷道長度大都上千米，而Sink節(jié)點一般在巷道入口處，若仍然采用單跳通信，由于節(jié)點能量有限，則距離Sink節(jié)點較遠的簇首會因能量耗盡而過早死亡，降低網(wǎng)絡(luò)的生命周期，并還可能形成檢測盲區(qū)[7]。（4）礦井下的網(wǎng)絡(luò)為長距離帶狀的網(wǎng)絡(luò)分布，數(shù)據(jù)從一側(cè)傳向位于另一側(cè)的Sink節(jié)點，越靠近Sink節(jié)點數(shù)據(jù)量越大，能量消耗越大，造成較早死亡，形成“熱區(qū)”問題。

3 L EACH協(xié)議改進

針對以上LEACH協(xié)議存在的問題，設(shè)計了一種新的適用于煤礦巷道這種長距離帶狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議LEACH-LK。

3.1 簇首選擇算法改進

如前面所述，LEACH協(xié)議的簇首是隨機產(chǎn)生的，節(jié)點部署也是隨機的，并沒有考慮節(jié)點的剩余能量和節(jié)點的地理分布情況。因此我們在研究長距離帶狀煤礦巷道網(wǎng)絡(luò)時考慮進去節(jié)點的剩余能量和節(jié)點所處的地理位置信息，這樣就會解決節(jié)點密度大的地方?jīng)]有簇首的情況，降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。根據(jù)以上信息，本文對LEACH協(xié)議的門限值T（n）進行改進，加入節(jié)點的剩余能量和簇首節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)信息，得出新的門限值T（n）的計算公式，如公式（1）：

式中，a1+a2=1，0

3.2 簇的建立

為了更加有效解決長帶狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸造成的“熱區(qū)”問題，我們采用非均勻建簇算法。該算法考慮進去了節(jié)點的剩余能量和節(jié)點與Sink節(jié)點的距離兩個因素，來確定簇的大小。實現(xiàn)如下：

部署網(wǎng)絡(luò)時，基站節(jié)點以一固定發(fā)送功率向全網(wǎng)發(fā)送一個hello信號。每個傳感器節(jié)點在接收到此信號后，根據(jù)接收到的信號的強度來計算它到基站的近似距離dn。這個距離dn是本文非均勻分簇中計算簇的半徑的必要參數(shù)。一旦某個節(jié)點通過公式（1）計算成為備選簇首節(jié)點，就可以根據(jù)計算公式（2）來算出該備選簇首的覆蓋半徑Re的大小。

備選簇首半徑Re的計算公式如式（2）所示：

式中，c1，c2是權(quán)重因子，0

3.3 改進協(xié)議在巷道中的模型

通過以上改進策略，改進后的長帶狀煤礦巷道協(xié)議模型，如圖1所示。該協(xié)議是分簇無線長帶狀能量有效多跳路由協(xié)議模型：

圖1 改進后煤礦巷道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

該網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點隨機均勻分布在礦井下巷道中，每一個圓形代表一個簇，簇內(nèi)由簇首節(jié)點和簇內(nèi)其他節(jié)點組成。普通節(jié)點搜集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給其所在簇的簇首，簇首再把收到的數(shù)據(jù)進行融合，以多跳方式傳送至Sink節(jié)點。簇有大有小，離Sink節(jié)點近的簇較小，離Sink節(jié)點越遠的簇越大。這樣可以有效減輕長帶狀網(wǎng)絡(luò)所帶來的“熱區(qū)”問題，平衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，不至于整個網(wǎng)絡(luò)過早死亡。

4 仿真過程及結(jié)果

在本仿真實驗中，我們利用NS2進行仿真，首先我們引用文獻[8]的其中兩中評價方法：Fi r st Node Dies（FND），即第一個節(jié)點死亡和Ha l f Node Alive（HNA），一半存活，來評價我們改進后的協(xié)議（LEACH-LK）的性能。然后再從網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的總能耗兩個方面進行比較。實驗中，我們?nèi)【W(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為N=200，隨機分布在600m×20m的類似煤礦巷道的長帶狀場景中，Sink節(jié)點位置放在（650，10）處。每個節(jié)點的初始能量是1J，這樣整個網(wǎng)絡(luò)的總能量是200J。每個數(shù)據(jù)包大小固定為500Byte，即4000bit，每種類型的包頭長度為25Byte（200bit）。所有節(jié)點一旦放置就不能再移動。簇頭數(shù)以LEACH協(xié)議的最優(yōu)簇頭比例來計算，這里取p=5%。經(jīng)過多次實驗證明，權(quán)重系數(shù)a1，a2，c1，c2分別取0.6，0.4，0.4，0.6，可使算法達到最佳性能。

圖2 從FND和HNA角度網(wǎng)絡(luò)生命周期對比

經(jīng)過50次實驗，比較改進后的LEACH-LK協(xié)議和原LEACH協(xié)議，從FND的角度，LEACH-LK 的性能提高了31.8%，從HNA的角度，整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期有27.3%的提高，如圖2所示。由此可見，改進后的協(xié)議（LEACH-LK）比LEACH協(xié)議更能適合于長帶狀煤礦巷道的環(huán)境中。統(tǒng)計仿真后的存活節(jié)點數(shù)和能量數(shù)據(jù)得到如圖3和圖4的仿真圖。由圖3可知，仿真開始一段時間之后，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點開始逐漸死亡。同時，在網(wǎng)絡(luò)運行時間上看，本文改進后的協(xié)議LEACH-LK路由協(xié)議性能更佳。這是由于改進的協(xié)議是根據(jù)煤礦巷道這種長帶狀形狀而設(shè)計，它同時考慮了節(jié)點的剩余能量和鄰居節(jié)點個數(shù)，并在建簇時根據(jù)與Sink節(jié)點距離的大小和本身剩余能量的大小，決定簇的大小，很大程度上均衡了整個網(wǎng)絡(luò)的能耗分布，因此改進后的協(xié)議更能提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

由圖4可知，改進后的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能量消耗上在同等時間的情況下，整個網(wǎng)絡(luò)的總能耗明顯小于LEACH協(xié)議，而且能耗消耗也更加均衡，上升更加平緩。LEACH在網(wǎng)絡(luò)運行到500秒時，能耗不再上升，而改進后的協(xié)議LEACH-LK在750秒時能耗不再變化，網(wǎng)絡(luò)生命周期大大約大提高了50%，因此改進后的協(xié)議比原LEACH協(xié)議有更好的性能。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生命周期

圖4 網(wǎng)絡(luò)總能耗

5 結(jié)束語

本文深入分析了LEACH協(xié)議在煤礦巷道中應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，然后結(jié)合煤礦巷道這種長帶狀分布的網(wǎng)絡(luò)提出了更適合于應(yīng)用于煤礦巷道這種長帶狀形狀的路由協(xié)議LEACH-LK。該協(xié)議通過加入節(jié)點的剩余能量和節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)形成了新的選擇簇首的閾值，并采用非均勻分簇，考慮進去節(jié)點的剩余能量和備選簇首與Sink節(jié)點的距離，使得離Sink節(jié)點近的簇小，離Sink節(jié)點遠的簇大，從而更好地均衡了整個長帶狀網(wǎng)絡(luò)的能耗分布，通過仿真證明，相比原LEACH協(xié)議，改進后的協(xié)議能更好地降低網(wǎng)絡(luò)總的能量消耗，更有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，進而有助于避免礦井下工作人員到達危險區(qū)域，保護了井下操作人員的安全與井下通信的穩(wěn)定。

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