吳 青，張 申，李曙俏，胡 兵，代 琳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221008)

0 引言

感知礦山物聯(lián)網(wǎng)研究中心總體建設(shè)的核心目的是保證井下操作人員的安全和感知通信傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定［1］。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)既要負(fù)責(zé)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，又要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并且煤礦井下大多為長(zhǎng)帶狀分布的有限空間(傳感器節(jié)點(diǎn)能量需求大)，所以，為了煤礦井下操作人員的安全，在人不能或不易到達(dá)區(qū)域(如采空區(qū))布置的傳感器節(jié)點(diǎn)的電源不能更換，使得傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗和生命周期變得尤為重要;因?yàn)長(zhǎng)EACH協(xié)議具有很多優(yōu)點(diǎn)，如分層次結(jié)構(gòu)、本地?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合處理和動(dòng)態(tài)選擇簇首等，所以，其應(yīng)用于通信傳感網(wǎng)絡(luò)中較為穩(wěn)定。因此，煤礦井下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2］也采用LEACH協(xié)議，但因?yàn)槊旱V井下網(wǎng)絡(luò)呈長(zhǎng)帶狀分布(如巷道，采空區(qū)等)，信息流一般向一側(cè)流向匯聚節(jié)點(diǎn)，假設(shè)數(shù)據(jù)融合量很小，這樣數(shù)據(jù)流就會(huì)呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量越大，造成“熱區(qū)”［3］問題，所以，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的研究核心逐漸轉(zhuǎn)向了如何使煤礦井下利用改進(jìn)后的LEACH協(xié)議來減少無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗和提高生命周期以及穩(wěn)定無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

由以上分析可知，單純的LEACH協(xié)議已無法滿足煤礦井下更好的作業(yè)［4］。為此，本文從防止普通節(jié)點(diǎn)加入簇的簇首能量過少、簇首間的單純單跳方式以及“熱區(qū)”等問題著手提出一個(gè)新的路由協(xié)議 LEACH—I(LEACH—improved)來解決煤礦井下能源效率和傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期問題。

1 LEACH協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議的描述

LEACH是Chandrakasan A等人［5］在設(shè)計(jì)低功耗自適應(yīng)分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由而提出的算法。

LEACH協(xié)議按隨機(jī)地選擇簇首的規(guī)則來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)載荷較為平均地分布到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中。首先，該協(xié)議把網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)分為若干簇，并且每個(gè)簇中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可充當(dāng)簇首。簇首采集簇中成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后處理數(shù)據(jù)并發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。因?yàn)長(zhǎng)EACH協(xié)議中簇首處理數(shù)據(jù)所需能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各個(gè)節(jié)點(diǎn)都把數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)所需傳輸能耗，其與傳統(tǒng)協(xié)議相比，LEACH協(xié)議可在一定程度上節(jié)約能量，再者其在傳感網(wǎng)絡(luò)中較為穩(wěn)定，因此，可應(yīng)用于煤礦井下。

1.2 LEACH應(yīng)用于煤礦井下的不足

由于LEACH協(xié)議應(yīng)用于不同傳感網(wǎng)絡(luò)中，并非永遠(yuǎn)都是最優(yōu)協(xié)議。所以，繼LEACH協(xié)議之后，又有很多基于不同角 度 的 改 進(jìn) 算 法，比 如:LEACH—C［6］，LEACH—F［7］，LEACH—ED［8］。這些算法都是針對(duì)LEACH協(xié)議的某一個(gè)特定環(huán)境下的問題而提出的改進(jìn)，卻很少關(guān)注煤礦井下變介質(zhì)對(duì)無線傳感器的影響，電磁波的多徑衰落等復(fù)雜環(huán)境以及長(zhǎng)距離帶狀巷道與一般情況不同的路由網(wǎng)絡(luò)。

LEACH協(xié)議應(yīng)用于煤礦井下的主要不足主要如下:

1)LEACH協(xié)議中由于普通的傳感器節(jié)點(diǎn)選擇加入簇時(shí)，規(guī)定加入與其簇首最近的簇。如果該簇首的剩余能量很少，在下一輪時(shí)能量就很快就會(huì)消耗完，造成這個(gè)簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常工作。

2)LEACH協(xié)議中設(shè)定每個(gè)簇的簇首直接與Sink節(jié)點(diǎn)采用單跳方式通信，但煤礦井下(比如巷道或采空區(qū))大都上千米，若采用單跳路由形式，距Sink節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇首能量很容易耗盡，因負(fù)載過重而較早死亡，可能形成檢測(cè)盲區(qū)，減少網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3)煤礦井下的網(wǎng)絡(luò)為長(zhǎng)距離帶狀分布，數(shù)據(jù)傳輸總體由一側(cè)流向Sink節(jié)點(diǎn)。越靠近Sink節(jié)點(diǎn)的簇首數(shù)據(jù)量越大，會(huì)因過早耗盡能量而死亡，形成“熱區(qū)”問題。

2 LEACH協(xié)議的改進(jìn)

要解決LEACH協(xié)議的“熱區(qū)”問題，必須盡量杜絕網(wǎng)絡(luò)內(nèi)前后能量消耗不均勻的情況。簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量是須考慮的最主要因素，其次也要防止普通節(jié)點(diǎn)加入簇的簇首能量過少。為此，本文提出一個(gè)新的路由協(xié)議LEACH—I。

其主要改進(jìn)過程如下:

1)為防止普通節(jié)點(diǎn)加入簇的簇首能量過少。令a和b分別為普通節(jié)點(diǎn)到簇首的距離和簇首已耗能量參數(shù)的系數(shù)。且滿足a+b=1。循環(huán)地現(xiàn)尋找合適的a和b值使Tmin最小，且

其中，Ec為簇首已耗能量，d(i，j)為簇首I到普通節(jié)點(diǎn)J的距離。

由文獻(xiàn)［9］可知，a，b分別約為0.4和0.6時(shí)節(jié)點(diǎn)生存周期最長(zhǎng)，故本文也采用a，b分別為0.4和0.6。

2)為了考慮簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量，在簇首和Sink節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須找到在簇首傳輸途中基于能量最小化的最優(yōu)路徑。同時(shí)為了解決網(wǎng)絡(luò)中的“熱區(qū)”問題，在設(shè)定參數(shù)G(X)時(shí)，必須考慮簇首剩余能量這個(gè)最主要的因素。

算法的主要步驟如下:

1)當(dāng)一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)A想要發(fā)送數(shù)據(jù)包給Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，記G(X)為能量參數(shù)

G(X)包含兩部分，一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)所消耗能量的相關(guān)參數(shù)，即［d2(i，j)+d2(j，s)］，另一個(gè)是中間節(jié)點(diǎn) X 本身的剩余能量。其中，d(i，j)為簇首節(jié)點(diǎn)I和普通節(jié)點(diǎn)J之間的距離，d(j，s)為普通節(jié)點(diǎn)J和Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離，dA-X為簇首節(jié)點(diǎn)A到未知簇首節(jié)點(diǎn)X的距離，dX-S是未知簇首節(jié)點(diǎn)X到Sink節(jié)點(diǎn)的距離，EX是節(jié)點(diǎn)X的剩余能量。集合Sn為簇首節(jié)點(diǎn)A下一跳路由的所有可能的簇首節(jié)點(diǎn)。

2)由文獻(xiàn)［10］知，簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值為Rc，故簇首節(jié)點(diǎn)A以半徑為2Rc向集合Sn中的簇首發(fā)送路由信息，所有接收到信息的簇首自發(fā)地計(jì)算G(X)，并發(fā)送簇首A。

3)簇首A比較收到的反饋數(shù)據(jù)G(X)后，選擇G(X)值最小的簇首節(jié)點(diǎn)X。如果簇首節(jié)點(diǎn)A的G(X)值最小，那么就直接把數(shù)據(jù)傳給Sink節(jié)點(diǎn);否則，選擇最小G(X)值的簇首節(jié)點(diǎn)B作為一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。

4)如果簇首節(jié)點(diǎn)B被選作中間節(jié)點(diǎn)的話，然后簇首節(jié)點(diǎn)B按照公式(2)繼續(xù)尋找一個(gè)跳的簇首節(jié)點(diǎn)。循環(huán)上述步驟直到數(shù)據(jù)全部傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)為止。

3 仿真結(jié)果與分析

本文在煤礦井下600 m×20 m的長(zhǎng)帶狀分布場(chǎng)景做測(cè)試，隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為200個(gè)。Sink節(jié)點(diǎn)位置為(650，10)，根據(jù)文獻(xiàn)［6］的最優(yōu)簇比例來仿真，本文設(shè)定P=5%。

參數(shù)如下:自由空間模型εfs和多路徑衰減模型εamp分別為10 pJ/bit/m2，0.0013 pJ/bit/m4。本文設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始能量為1 J，因?yàn)橛?00個(gè)節(jié)點(diǎn)，故總能量為200 J。

用Matlab進(jìn)行仿真。主要從網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)能耗2個(gè)方面來比較 LEACH—I和 LEACH協(xié)議。仿真結(jié)果如圖1、圖2。

由圖1可以看出:在開始一段時(shí)間之后，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)開始逐漸死亡。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間上來看，本文設(shè)計(jì)的LEACH—I路由協(xié)議的性能更佳。這是由于LEACH—I是根據(jù)煤礦井下長(zhǎng)帶狀形狀的網(wǎng)絡(luò)而特殊設(shè)計(jì)，它同時(shí)考慮了普通節(jié)點(diǎn)加入簇的簇首能量和簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量等幾個(gè)因素。因此，LEACH—I協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖1 網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較Fig 1 Comparison of network lifetime

圖2 網(wǎng)絡(luò)能耗的比較Fig 1 Comparison of network energy consumption

由圖2知，隨著時(shí)間輪數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)總能耗一直在增加。但改進(jìn)后的LEACH—I協(xié)議在同等時(shí)間輪數(shù)的情況下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總能耗消耗明顯小于LEACH協(xié)議。LEACH協(xié)議大約在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行480輪左右時(shí)網(wǎng)絡(luò)的能量被耗盡，而LEACH—I協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行了接近800輪全部能量被耗盡時(shí)，性能大約提高了66%。因此，LEACH—I協(xié)議更能減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

4 結(jié)論

本文分析LEACH協(xié)議在煤礦井下應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與不足，然后結(jié)合煤礦井下長(zhǎng)帶狀分布的有限空間和復(fù)雜的地理環(huán)境，提出更適合應(yīng)用于煤礦井下的LEACH—I路由協(xié)議。該協(xié)議降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總的能量消耗，進(jìn)而減少了工作人員再次到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域(如采空區(qū))，提高了井下操作人員的安全;同時(shí)該協(xié)議也延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，實(shí)現(xiàn)了通信傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，此設(shè)計(jì)方案達(dá)到了感知礦山物聯(lián)網(wǎng)研究中心的研究目的。

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