一種應用于煤礦井下LEACH路由協議的改進

吳 青，張 申，李曙俏，胡 兵，代 琳

(中國礦業大學物聯網(感知礦山)研究中心信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008)

0 引言

感知礦山物聯網研究中心總體建設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絡的穩定［1］。

由于傳感器節點既要負責收集監測數據，又要完成數據傳輸等功能，并且煤礦井下大多為長帶狀分布的有限空間(傳感器節點能量需求大)，所以，為了煤礦井下操作人員的安全，在人不能或不易到達區域(如采空區)布置的傳感器節點的電源不能更換，使得傳感器節點的能量消耗和生命周期變得尤為重要;因為LEACH協議具有很多優點，如分層次結構、本地數據聯合處理和動態選擇簇首等，所以，其應用于通信傳感網絡中較為穩定。因此，煤礦井下的無線傳感器網絡［2］也采用LEACH協議，但因為煤礦井下網絡呈長帶狀分布(如巷道，采空區等)，信息流一般向一側流向匯聚節點，假設數據融合量很小，這樣數據流就會呈“棒槌”狀，越靠近匯聚節點數據量越大，造成“熱區”［3］問題，所以，需要對其進行改進。

感知礦山物聯網的研究核心逐漸轉向了如何使煤礦井下利用改進后的LEACH協議來減少無線傳感器節點能耗和提高生命周期以及穩定無線傳感網絡。

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

1 LEACH協議

1.1 LEACH協議的描述

LEACH是Chandrakasan A等人［5］在設計低功耗自適應分簇無線傳感器網絡路由而提出的算法。

LEACH協議按隨機地選擇簇首的規則來實現網絡載荷較為平均地分布到每個傳感器節點中。首先，該協議把網絡中的所有傳感器節點分為若干簇，并且每個簇中只有一個節點可充當簇首。簇首采集簇中成員節點的數據，然后處理數據并發送到Sink節點。因為LEACH協議中簇首處理數據所需能耗要遠遠小于各個節點都把數據傳輸給Sink節點所需傳輸能耗，其與傳統協議相比，LEACH協議可在一定程度上節約能量，再者其在傳感網絡中較為穩定，因此，可應用于煤礦井下。

1.2 LEACH應用于煤礦井下的不足

由于LEACH協議應用于不同傳感網絡中，并非永遠都是最優協議。所以，繼LEACH協議之后，又有很多基于不同角 度 的 改 進 算 法，比 如:LEACH—C［6］，LEACH—F［7］，LEACH—ED［8］。這些算法都是針對LEACH協議的某一個特定環境下的問題而提出的改進，卻很少關注煤礦井下變介質對無線傳感器的影響，電磁波的多徑衰落等復雜環境以及長距離帶狀巷道與一般情況不同的路由網絡。

LEACH協議應用于煤礦井下的主要不足主要如下:

1)LEACH協議中由于普通的傳感器節點選擇加入簇時，規定加入與其簇首最近的簇。如果該簇首的剩余能量很少，在下一輪時能量就很快就會消耗完，造成這個簇內所有傳感器節點不能正常工作。

2)LEACH協議中設定每個簇的簇首直接與Sink節點采用單跳方式通信，但煤礦井下(比如巷道或采空區)大都上千米，若采用單跳路由形式，距Sink節點較遠的簇首能量很容易耗盡，因負載過重而較早死亡，可能形成檢測盲區，減少網絡的生命周期。

3)煤礦井下的網絡為長距離帶狀分布，數據傳輸總體由一側流向Sink節點。越靠近Sink節點的簇首數據量越大，會因過早耗盡能量而死亡，形成“熱區”問題。

2 LEACH協議的改進

要解決LEACH協議的“熱區”問題，必須盡量杜絕網絡內前后能量消耗不均勻的情況。簇首節點剩余能量是須考慮的最主要因素，其次也要防止普通節點加入簇的簇首能量過少。為此，本文提出一個新的路由協議LEACH—I。

其主要改進過程如下:

1)為防止普通節點加入簇的簇首能量過少。令a和b分別為普通節點到簇首的距離和簇首已耗能量參數的系數。且滿足a+b=1。循環地現尋找合適的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到普通節點J的距離。

由文獻［9］可知，a，b分別約為0.4和0.6時節點生存周期最長，故本文也采用a，b分別為0.4和0.6。

2)為了考慮簇首節點剩余能量，在簇首和Sink節點之間傳輸數據時，必須找到在簇首傳輸途中基于能量最小化的最優路徑。同時為了解決網絡中的“熱區”問題，在設定參數G(X)時，必須考慮簇首剩余能量這個最主要的因素。

算法的主要步驟如下:

1)當一個簇首節點A想要發送數據包給Sink節點時，記G(X)為能量參數

G(X)包含兩部分，一個是轉發數據時所消耗能量的相關參數，即［d2(i，j)+d2(j，s)］，另一個是中間節點 X 本身的剩余能量。其中，d(i，j)為簇首節點I和普通節點J之間的距離，d(j，s)為普通節點J和Sink節點之間的距離，dA-X為簇首節點A到未知簇首節點X的距離，dX-S是未知簇首節點X到Sink節點的距離，EX是節點X的剩余能量。集合Sn為簇首節點A下一跳路由的所有可能的簇首節點。

2)由文獻［10］知，簇首競爭半徑的最大值為Rc，故簇首節點A以半徑為2Rc向集合Sn中的簇首發送路由信息，所有接收到信息的簇首自發地計算G(X)，并發送簇首A。

3)簇首A比較收到的反饋數據G(X)后，選擇G(X)值最小的簇首節點X。如果簇首節點A的G(X)值最小，那么就直接把數據傳給Sink節點;否則，選擇最小G(X)值的簇首節點B作為一個中間節點傳輸到Sink節點。

4)如果簇首節點B被選作中間節點的話，然后簇首節點B按照公式(2)繼續尋找一個跳的簇首節點。循環上述步驟直到數據全部傳輸給Sink節點為止。

3 仿真結果與分析

本文在煤礦井下600 m×20 m的長帶狀分布場景做測試，隨機分布的傳感器節點數為200個。Sink節點位置為(650，10)，根據文獻［6］的最優簇比例來仿真，本文設定P=5%。

參數如下: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。本文設置每個節點初始能量為1 J，因為有200個節點，故總能量為200 J。

用Matlab進行仿真。主要從網絡生命周期、網絡能耗2個方面來比較 LEACH—I和 LEACH協議。仿真結果如圖1、圖2。

由圖1可以看出:在開始一段時間之后，網絡的節點開始逐漸死亡。同時在網絡運行時間上來看，本文設計的LEACH—I路由協議的性能更佳。這是由于LEACH—I是根據煤礦井下長帶狀形狀的網絡而特殊設計，它同時考慮了普通節點加入簇的簇首能量和簇首節點剩余能量等幾個因素。因此，LEACH—I協議可以提高網絡的生命周期。

圖1 網絡生命周期的比較Fig 1 Comparison of network lifetime

圖2 網絡能耗的比較Fig 1 Comparison of network energy consumption

由圖2知，隨著時間輪數的增加，網絡總能耗一直在增加。但改進后的LEACH—I協議在同等時間輪數的情況下，整個網絡的總能耗消耗明顯小于LEACH協議。LEACH協議大約在網絡運行480輪左右時網絡的能量被耗盡，而LEACH—I協議在網絡運行了接近800輪全部能量被耗盡時，性能大約提高了66%。因此，LEACH—I協議更能減少整個網絡的能量消耗。

4 結論

本文分析LEACH協議在煤礦井下應用的優勢與不足，然后結合煤礦井下長帶狀分布的有限空間和復雜的地理環境，提出更適合應用于煤礦井下的LEACH—I路由協議。該協議降低了整個網絡總的能量消耗，進而減少了工作人員再次到達危險區域(如采空區)，提高了井下操作人員的安全;同時該協議也延長網絡生命周期，實現了通信傳感網絡的穩定，此設計方案達到了感知礦山物聯網研究中心的研究目的。

［1］張 申，丁恩杰，徐 釗，等.物聯網與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數字礦山、礦山綜合自動化［J］.工礦自動化，2010(11):129-132.

［2］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網絡［J］.軟件學報，2003，14(7):1282-1291.

［3］Soro S，Heinzelman W.Prolonging the lifetime of wireless sensor networks via unequal clustering［C］∥Proceedings of the 19th International Workshop on Algorithms for Wireless，Mobile，Ad Hoc and Sensor Networks，Denver，2005:236-240.

［4］劉曉文，閆靜杰，苗 錦，等.礦井無線傳感器網絡LEACH協議的改進［J］.煤炭科學技術，2009，37(4):46-49.

［5］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks［C］∥Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences，Piscataway，USA:IEEE，2000:175-187.

［6］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.An applicationspecific protocol architecture for wireless microsensor networks［J］.IEEE Trans on Wireless Communications，2002，1(4):660-670.

［7］Heinzelman W.Application-specific protocol architectures for wireless networks［D］.Boston:Massachusetts Institute of Technology，2000.

［8］顧相平，孫彥景，錢建生.一種改進的無線傳感器網絡LEACH-ED算法［J］.傳感技術學報，2008，21(10):1770-1774.

［9］武春娟，白運鎮.基于能量的無線傳感網絡LEACH協議的改進［EB/OL］.中國科技論文在線［2010—03—22］.http:∥www.paper.edu.cn.

［10］房曉菲，沈永增，姚俊杰.一種基于LEACH的新型WSNs路由算法［J］.機電工程，2008，25(5):100-103.