應(yīng)用于礦井巷道的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

鄭歡歡 白魚秀 張雅瓊

摘 要： 構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦智能監(jiān)控系統(tǒng)能有效推進(jìn)煤礦的智慧化建設(shè)，而礦井巷道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑书L距離帶狀，容易造成能耗不均、形成熱區(qū)的問題。提出改進(jìn)LEACH協(xié)議形成適用于礦井巷道環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議：通過優(yōu)化簇頭閾值選取和非均勻競爭半徑的簇頭篩選機(jī)制控制簇頭數(shù)目和位置，優(yōu)化簇的劃分;在簇頭與sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇時(shí)，將剩余能量作為節(jié)點(diǎn)間權(quán)值計(jì)算的重要參數(shù)，從而減少能量較小節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過路數(shù)據(jù)的概率，更好的均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)能能耗。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，改進(jìn)協(xié)議在存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和消耗總能量方面的性能優(yōu)于LEACH和LEACH-C協(xié)議，有效均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 非均勻分簇; 多跳路由

中圖分類號： TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The intelligent monitoring system of coal mine based on wireless sensor network can effectively promote the intelligent construction of coal mine. The wireless sensor network topology of mine roadway is long-distance belt， it is easy to cause the problem of uneven energy consumption and hot area. In this paper， an improved LEACH protocol is proposed to form a network routing protocol to be suitable for mine tunnel environment. The number and location of cluster heads are controlled by optimizing the threshold selection of cluster heads and the screening mechanism of non-uniform competition radius， and the division of clusters is optimized. When routing between cluster heads and sink nodes is selected， the remaining energy is taken as an important parameter for the calculation of weights between nodes， so as to reduce the small amount of energy. The probability of transmitting the passing data by point can better balance the energy consumption of the network. The simulation results show that the performance of the improved protocol is better than that of LEACH and LEACH-C in terms of the number of surviving nodes and the total energy consumption.

Key words： wireless sensor network; uneven cluster; multi-hop routing

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的具有有限信息感知、信息處理和信息傳遞的自組織網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、成本低、計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)視，醫(yī)療監(jiān)測，軍事偵察、智慧礦山等領(lǐng)域。但是其傳感器節(jié)點(diǎn)依靠不能補(bǔ)充的電池作為能量來源，能耗的不均衡就會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量過快耗盡，影響網(wǎng)絡(luò)有效生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)整體性能。為了解決能量均衡消耗問題，通過自適應(yīng)分簇的LEACH協(xié)議[1]應(yīng)運(yùn)而生。此后，很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更多的改進(jìn)和優(yōu)化。這些算法的基本思想主要是三大類：一類是通過加入不同的控制因子來改進(jìn)簇頭的閾值計(jì)算[2-3]，綜合多方面的因素完成簇頭的選擇;第二類是改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ怕窂絒4]，第三類是通過不同的分簇方式達(dá)到均衡能耗的目的[5-6]。但是上述路由算法多適用于大面積監(jiān)測區(qū)域，不適合應(yīng)用于礦井的長距離帶狀區(qū)域[7]。為了解決這一特殊環(huán)境中容易造成的“熱區(qū)”問題以及匯聚節(jié)點(diǎn)的特殊位置，本文在LEACH協(xié)議簇頭的閾值選擇中綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離和節(jié)點(diǎn)周圍的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)目因素，采用非均勻分簇和簇間的多跳轉(zhuǎn)發(fā)策略，較好的均衡了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

1 LEACH協(xié)議概述

1.1 LEACH協(xié)議簡介

LEACH協(xié)議是一種經(jīng)典的自適應(yīng)分簇路由協(xié)議，可以在網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)地根據(jù)閾值規(guī)則選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一樣的被選概率，盡可能的平均能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)使用Matlab對本文改進(jìn)的協(xié)議進(jìn)行仿真，并和LEACH，LEACH-C協(xié)議進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

三種算法在存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目方面的比較，如圖1所示。

LEACH和LEACH-C在200輪附近的時(shí)候出現(xiàn)開始出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，而本文的改進(jìn)協(xié)議在接近300輪附近才出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，而且每輪存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目都要大于LEACH和LEACH-C中的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目。說明改進(jìn)的協(xié)議能夠有效的均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。