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

無線傳感器網絡[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絡，利用自身攜帶的傳感器感知信息、搜集數據并通過無線通信的方式發(fā)送到一個目的地，完成某一任務的智能型網絡。它不需要固定網絡支持，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。隨著信息技術的發(fā)展，它的重要性日益突出，并可廣泛應用在醫(yī)療、軍事、環(huán)境檢測、工業(yè)、煤礦等領域。礦井下大多數區(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 技術的應用，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。

無線傳感器網絡中節(jié)點搜集數據并傳輸給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絡呈狹長的長帶狀分布，信息一般會向一側流向匯聚節(jié)點，這樣數據流就會呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節(jié)點數據流量越大，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，大大限制了整個網絡的生命周期，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絡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設計的低功耗自適應層次型路由算法。

LEACH協(xié)議的基本思想是不斷地隨機選擇簇首節(jié)點，從而將整個網絡的能量負載能夠平均分配到網絡中的所有節(jié)點，從而達到減少網絡能量消耗、提高網絡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，網絡隨機地選擇一些節(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)點則根據接收到的消息的信號強度決定加入哪個簇，并回復該簇首。

在簇的數據通信階段，節(jié)點將自己搜集到的數據信息發(fā)送給簇首，簇首將收到數據進行簡單處理后，發(fā)送給Sink節(jié)點。所以簇首承受的任務比較重，能量消耗較大，所以要不斷的更換簇首，以平均整個網絡的能量消耗。通信一段時間后，網絡的簇首會重新選舉，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，又利于延長網絡的生命周期，而且，相對比較穩(wěn)定，所以適合應用在礦井下。

2.2 L EACH協(xié)議應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構的路由協(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 的基礎上，從不同角度對LEACH協(xié)議進行的該進，但很少關注在環(huán)境復雜、呈長帶狀受限區(qū)間煤礦巷道下的礦井中的應用。

但LEACH協(xié)議直接應用在礦井下，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，導致該節(jié)點負載過重，而使其過早死亡，不利于網絡生存時間延長。（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，隨之網絡能耗就不均衡，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，降低網絡的生命周期，并還可能形成檢測盲區(qū)[7]。（4）礦井下的網絡為長距離帶狀的網絡分布，數據從一側傳向位于另一側的Sink節(jié)點，越靠近Sink節(jié)點數據量越大，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，設計了一種新的適用于煤礦巷道這種長距離帶狀網絡的路由協(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絡時考慮進去節(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)點密度大的地方沒有簇首的情況，降低網絡的能耗。根據以上信息，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絡數據傳輸造成的“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：

部署網絡時，基站節(jié)點以一固定發(fā)送功率向全網發(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。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絡模型

該網絡中的所有傳感器節(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，簇內由簇首節(jié)點和簇內其他節(jié)點組成。普通節(jié)點搜集數據，把數據發(fā)送給其所在簇的簇首，簇首再把收到的數據進行融合，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絡所帶來的“熱區(qū)”問題，平衡整個網絡的能量消耗，不至于整個網絡過早死亡。

4 仿真過程及結果

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。然后再從網絡存活節(jié)點數和網絡的總能耗兩個方面進行比較。實驗中，我們取網絡節(jié)點數為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，這樣整個網絡的總能量是200J。每個數據包大小固定為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。簇頭數以LEACH協(xié)議的最優(yōu)簇頭比例來計算，這里取p=5%。經過多次實驗證明，權重系數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角度網絡生命周期對比

經過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，整個網絡的生命周期有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)點數和能量數據得到如圖3和圖4的仿真圖。由圖3可知，仿真開始一段時間之后，網絡中的節(jié)點開始逐漸死亡。同時，在網絡運行時間上看，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)議是根據煤礦巷道這種長帶狀形狀而設計，它同時考慮了節(jié)點的剩余能量和鄰居節(jié)點個數，并在建簇時根據與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絡的能耗分布，因此改進后的協(xié)議更能提高網絡的生命周期。

由圖4可知，改進后的協(xié)議在網絡能量消耗上在同等時間的情況下，整個網絡的總能耗明顯小于LEACH協(xié)議，而且能耗消耗也更加均衡，上升更加平緩。LEACH在網絡運行到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，網絡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 網絡生命周期

圖4 網絡總能耗

5 結束語

本文深入分析了LEACH協(xié)議在煤礦巷道中應用的優(yōu)勢與不足，然后結合煤礦巷道這種長帶狀分布的網絡提出了更適合于應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絡的能耗分布，通過仿真證明，相比原LEACH協(xié)議，改進后的協(xié)議能更好地降低網絡總的能量消耗，更有效地延長了網絡的生命周期，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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