矿井无线传感网络基于LEACH路由协议的改进方案_无线传感网络路由协议

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矿井无线传感网络基于LEACH路由协议的改进方案

摘要：

针对我国煤矿井下特殊的环境，基于LEACH路由协议提出新的高效，能量均衡的分簇 路由协议。簇首节点选取将以邻居节点的平均剩余能量与节点本身的剩余能量的比值，与邻 居节点的距离作为节点竞争簇头的参数，簇内节点均加入距离自己最近的簇头节点；经数据 融合后的簇首节点之间通过多跳方式通信，最终将融合后的信息通过网关节点，由有线网络 发送到地面的监控系统。利用NS2进行仿真，实验结果证明，改进后的协议能够均衡网络节点能耗，延长网络生命时间，适应煤矿井下特殊环境。1 前言

目前，我国煤矿采用的检测系统都以工业总线作为基础，井下检测系统与地面信息中心一般通过电缆或者光纤连接，构成有线的检测系统。但有线系统对线路依赖性强，受布线局 限，且需要专业人员维护，一旦设备出现故障，会使局部区域失去监测能力。因此，有线通 信其扩展性，网络覆盖率，灵活性存在不足，成本较高。但无线传感网络的出现给煤矿监控带来前所未有的希望，无线传感器网络具有放置灵活、扩展简便、移动性强、具有自组织性等特点，因此建立基于无线传感网络的煤矿无线监测系统可以对有线监控系统起到强大的补充功能，无线与有线的结合，将极大的提高全煤矿的安全监控水平。

但是，通常传感器节点的通信距离有限，在10~100 m范围内,节点只能与其射频覆盖范围内的邻居直接通信，因此限制了无线传感器网络在大规模范围的应用。现有的路由协议具有良好的自组织性，在一定程度上提高了网络的自组织性能，延长了网络寿命，但大多数适合小规模网络，节点的能耗分布不均衡，不适用于工作面有限异质可变空间，并且工作面的不断向前推进，信息流量不均衡，对网络的自组织性也提出了更高的要求。2 LEACH路由协议

路由协议按网络的拓扑结构可分为2类：平面路由协议和分簇路由协议。在平面路由协议中，各节点地位平等，通过局部操作和反馈信息来生成路由。平面路由缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。在分簇路由协议中，通常对网络中的节点进行层次划分，若干地理位置相邻的节点构成一个簇，每个簇内选举一个簇首。簇首节点负责簇内信息的收集、融合及簇间数据的转发。

分簇路由便于管理，能对系统变化做出快速反应，为网络提供高质量的通信服务。

典型的分簇路由协议LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)协议是Heinzelman 等人2002年提出的基于分簇的层次性路由协议，它采用分簇的网络结构，各节点独立地按照一定概率决定自己是否做簇首，周期性地进行簇首选举和网络重组，避免簇首节点能耗过 多，影响网络寿命。相比一般的平面协议或静态分簇协议，LEACH可以减少网络能量损耗，延长网络生命周期。在此基础上，很多人基于不同应用提出了改进方案，如Stephanie Lindsey等人提出的PEGASIS（power-efficient gathering in sensor information systems）协议，就是对LEACH协议的改进，其基本思想是使节点仅和它们最近的邻节点进行通信，增加网络生命时间。

研究发现，这些分簇路由协议具有很好的自组织特性，一定程度上提高了网络性能，延 长了网络寿命。但在工作面上无线传感网络是由信息采集端向外单向传输，组成的网络节点是一种带状分布、信息流量不均衡的网络，会造成节点的功耗分布不均，接近出口的汇聚节 点数据流量大，负载重，寿命短等现象。另外，随工作面的不断向前推进，网络结构将随之变化。现有的路由协议无法满足矿井下这种特殊环境。因此在LEACH路由协议的基础上，本文提出了一种能量平衡的大规模无线传感器网络分簇路由协议，以实现节能和均衡能耗相结合。3 网络模型

3.1 假设

为增加模拟工作面的真实性，我们将仿真场景大小设置为长带状区域，N个节点随机的布置在该区域。节点需满足以下条件：所有的节点具有相同的且与无线电信号在各个方向上能耗相同，各节点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变发射功率，从而控制发送的距离，每个节点都具有足够的计算能力支持不同的MAC协议和数据处理。2 所有节点的通信距离不超过节点的有效通信距离 sink节点是固定放置在巷道的末端，且有持续的电源供给 4 相邻节点采集的数据具有较高的相关性，可进行数据融合 5 所有节点时间同步 3.2具体的能量公式

该模型考虑了发射电路的发射能量、接收电路接收能量, 且能量损耗与传输距离有关。发射机发射m比特消息消耗的能量为：

2mEelecmEfsd,dd0ETx(m,d)

（1）4mEelecmEmpd,dd0接收机接收m比特消息消耗的能量为：

ERx(m)mEelec

(2)ETx(m,d)为发射m比特数据所消耗的能量，ERx(m)为收到m比特数据所消耗的能量，d为传输距离，Eelec为每发送或接收1比特数据传输所消耗的能量，Efs为自由空间常数，Emp为多路径衰落传输常数，Efs和Emp与所采用的输信道模型有关。d0为传输距离的门限值d0Efs，当传输距离大于d0时数据传输的消耗相当大。Emp4分簇路由协议改进方案 4.1 簇形成过程

在LEACH协议中，簇首的产生具有很大的随机性，不能均衡能耗。矿井工作面的特殊 地形，各个簇都是相邻的，LEACH协议没有考虑节点的剩余能量，地理位置等因素。因此，我们根据工作面的特殊环境，设计改进的LEACH协议LEACH—IM 协议。在LEACH的基础上，簇头节点的个数为N，我们假设理想的成簇概率为P，最终成簇的数目为K=NP。簇 首节点选取将以邻居节点的平均剩余能量与节点本身的剩余能量的比值，担任簇首节点的总个数及邻居节点个数作为节点竞争簇头的参数。将能量的比值转化成时延，比值越小，时延越小，反之时延越大。网络所有节点在成为簇头之前，均等待一个时延，时延先到达的节点优先成为簇首节点。

在描述算法之前，先规定每个节点保存各自信息（节点ID，初始能量，节点剩余能量）及邻居节点信息（节点ID，剩余能量）。每轮分簇开始时，规定获取邻居节点信息时段为 TD。每个节点将以通信半径r,广播自身信息（节点ID,节点剩余能量Er）然后接收邻居节点信息，并更新本节点信息中邻居节点的平均剩余能量Ea和邻居节点的个数d。任取某节点Vi，邻居节点Vj，则Vi节点的平均剩余能量为：

1dEaEr

dj1当Vi节点的剩余能量Er>Ea时：

(3)t1Ea1TD

Erd(4)当Vi节点的剩余能量ErEa时：

t2TDET(1r)D

2E

2(5)在上式中的E是节点的初始能量，ρ是一个均匀分布在[0.9,1]之间的一个随机实数，其作用是减小两个节点可能取相同t值的概率。

在LEACH协议中簇首的选择还考虑到该节点在过去的操作中担当簇首节点的次数，在LEACH—IM协议中，我们将节点担当簇首节点的总时间作为衡量参数。我们将采用基于加权的分簇算法。

节点i的权值计算公式表示为：

Wiwt1w2T(to)

(6)其中，w1、w2是加权因子且满足w1w21。t表示由上式邻居节点的平均剩余能量与节点本身的剩余能量的比值转化成的时延；T(to)表示该节点从网络运行开始当过簇首的总时间。若节点的剩余能量较多，担任簇首节点的时间较短，则时延先到达的节点将优先成为簇头节点。

簇首确定后，其他节点从睡眠中醒来，接收簇首节点广播的信息，依据距离远近选择要加入的簇，并向簇首发送个人信息。簇首在接到节点加入信息后，将根据加入节点的数目，为簇内每个节点分配一个通信时隙，告知节点何时发送数据,至此就形成整个网络。簇形成之后就不再改变，当簇首节点低于预设的门限值后，将在簇内重新选择簇首节点，选择依据依然参照公式（6）。4.2 数据传输

形成簇之后，簇首节点将对采集到的数据进行必要处理和融合，随后进入数据传输阶段。数据传输包括簇内传输和簇间传输。簇内传输采用TDMA模式，可有效的防止信道冲突，节约能量；而簇间传输，传输数据量大，能耗大，考虑到工作面的特殊环境和采集检测数据的冗余性，我们采用最小生成树算法的多跳路由，实现簇头节点与sink节点的通信。5仿真结果

为了比较LEACH及其改进协议LEACH-IM的性能，将这两个算法在NS2中仿真。假 设仿真环境为400m * 10m,节点总数N=200个，节点的初始能量为2J,sink节点位于原点（0,0），理想的成簇概率为P=8%，能量模型参数参照文献[y]：Eelec50nJ/bit，Efs10nJ/bit/m2，Emp0.013nJ/bit/m2，代入公式可以得到有效通信距离

d087.7m，但参照文献[y]，依照具体的应用环境，有效通信距离为d050m。最优簇首节点个数Kp*N16。簇内簇间数据融合率设置为0.7。

0.80.70.60.50.40.30.20.10——LEACH+-+-LEACH-IM节点死亡概率050010001500工作周期轮数200025003000

图1

图1显示了网络中节点死亡率随工作周期数的变化情况。从图中结果可以看出，LEACH-IM在延长网络生存时间方面性能突出。此外,从第一个节点开始死亡的时间点来看, LEACH-IM也具有明显的优势。结果还表明，LEACH-IM死亡速率变化相当缓慢。表明CEUC使整个网络的能耗分布趋于平均,使各节点的能量几乎同时耗尽,避免了某些节点被过度使用。

——LEACH+-+-LEACH-IM21.5节点平均能耗10.50050010001500工作周期轮数200025003000

图2 图2在能耗指标上对LEACH和LEACH-IM进行了比较。可以看到，LEAC-IM方法

使得簇内节点能耗均衡，每轮的能耗都比LEACH协议少很多；而LEACH簇内节点能耗与簇首位置分布及数目相关，当簇首分布均匀时簇内节点能耗均衡，反之不均衡，因此每轮的性能十分不稳定。新的算法比LEACH有了显著改进。4结束语

本文通过对LEACH协议的分析，并针对矿井下的实际环境对协议进行改进。仿真结果显示,改进后的协议能更好地平衡网络负载、节约能量消耗且具有更高的能量使用效率,实现了多方面的优化。参考文献

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