基于多Sink節點的煤礦巷道無線傳感器網絡路由協議

黎望懷,　夏旭,2

(1.湖南安全技術職業學院 電氣與信息工程系， 湖南 長沙　410151；2.中南大學 軟件學院， 湖南 長沙　410075)

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基于多Sink節點的煤礦巷道無線傳感器網絡路由協議

黎望懷1,夏旭1,2

(1.湖南安全技術職業學院 電氣與信息工程系， 湖南 長沙410151；2.中南大學 軟件學院， 湖南 長沙410075)

針對傳統的單Sink節點無線傳感器網絡應用于煤礦安全監控系統中時，遠離巷道口的傳感器節點無法及時、準確地將巷道深處的監測數據傳輸到巷道口Sink節點的問題，提出一種適用于長帶狀結構煤礦巷道的基于多Sink節點的無線傳感器網絡路由協議。該協議引入多Sink節點的無線傳感器網絡結構和非均勻成簇的思想，采用基于多Sink節點的功率控制算法和非均勻成簇算法，對各個Sink節點的最優通信半徑、發射功率、簇首的選擇和非均勻競爭半徑的計算進行優化。仿真結果表明，該路由協議在連通度、延時和網絡生存期上具有優勢，可有效降低無線傳感器網絡整體能耗,延長網絡生存期。

煤礦巷道； 無線傳感器網絡； 多Sink節點； 路由協議； 功率控制； 非均勻成簇

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1028.012.html

0　引言

為避免煤礦井下有線通信線纜在事故中受到破壞而造成監控中斷，井下無線通信技術研究具有重要意義[1]。將無線傳感器網絡應用于煤礦安全監控系統成為煤礦安全生產的發展趨勢[2]。

通過研究煤礦巷道特征可發現，巷道呈長帶狀結構，因此，應用于煤礦巷道的無線傳感器網絡具有不同于一般應用的特點：① 煤礦巷道環境復雜，存在易爆氣體，傳感器節點電池的更換非常困難，需要優先考慮延長網絡生存期；② 無線傳感器網絡單Sink節點的結構無法保證遠離Sink節點的簇首將數據傳送給巷道口的Sink節點，同時遠離Sink節點的簇首為了能將數據傳送給Sink節點，必須工作在大功耗狀態，導致簇首需要更大的能耗，影響網絡生存期；③ 在分簇的設計上，為了達到能耗均衡，需要對簇首的選擇、非均勻競爭半徑進行合理計算，保證簇首不會由于負擔重而過早死亡，保證距離Sink節點較近且具有較高能量的傳感器節點優先成為簇首。

已有的針對煤礦無線傳感器網絡的研究以單Sink節點的網絡結構為主，該種網絡結構無法保證巷道深處的傳感器節點及時將數據傳送給巷道口的Sink節點，如參考文獻[3]提出的EEUC非均勻成簇算法。部分基于多Sink節點的路由算法研究則沒有針對煤礦特殊的長帶狀結構，如參考文獻[4]提出了一種多Sink節點部署位置優化算法(MSGA)，該算法在網絡模型的選擇上并沒有針對煤礦巷道的特殊結構；參考文獻[5]提出了一種基于多Sink節點的長鏈狀無線傳感器網絡功率控制算法，但是在非均勻成簇的方法上沒有采用適合巷道特殊結構的算法，存在一定的局限性。

本文在煤礦巷道的特殊結構基礎上，提出在煤礦巷道使用多Sink節點的網絡結構，并利用非均勻成簇的思想，提出一種基于多Sink節點的非均勻分簇的能量均衡路由協議(Unequal Clustering and Energy-balanced Routing Protocol Based on Multi-Sink，UCERP)。該協議的基本思想：在煤礦巷道內的中央位置每隔一段隨機距離部署Sink節點，Sink節點之間通過對發射功率進行控制來保證對網絡的覆蓋率，同時各個Sink節點的覆蓋范圍內部作為一個獨立的區域，利用非均勻成簇的思想，對簇首的選擇、非均勻競爭半徑的計算進行優化，從而實現能耗均衡。仿真實驗證明，UCERP符合煤礦巷道的長帶狀結構特點，能保證網絡覆蓋率，并有效延長網絡生存期。

1　網絡模型

基于UCERP的煤礦巷道無線傳感器網絡結構是在巷道的中央位置部署多個Sink節點，各Sink節點可以獲得自身位置信息，并通過功率控制消息(Power Control Message，PCM)獲得鄰居Sink節點的工作功率情況。

為了方便研究，假設網絡中傳感器節點個數為N，分布在一個狹長的L×W區域內，且L?W，傳感器節點和Sink節點一旦部署完畢，位置將固定；傳感器節點和Sink節點的發射功率可控，并且可根據接收信號強度推算出節點之間的距離和接收功率；傳感器節點同構，初始能量相同，具有數據融合和自我剩余能量感知功能，Sink節點能量不受限制。

2　UCERP原理

根據煤礦巷道的特點，UCERP協議包括多Sink節點的功率控制算法(Multi-Sink Power Control Algorithm，MSPC)和各Sink節點內部區域的非均勻成簇算法(Unequal Clustering and Energy-Balanced Algorithm，UCEB)2個部分。

MSPC主要是對相鄰Sink節點的功率進行調節，保證多Sink節點對網絡的整體覆蓋率；UCEB主要包括簇首的選擇、非均勻競選半徑的計算及最終簇首的產生，對于2個Sink節點重疊覆蓋的區域，傳感器節點將選擇距離較近的Sink節點，加入其所在區域的簇。具體的分簇機制如圖1所示，離Sink1節點較近的簇半徑小，離Sink1節點較遠的簇半徑大。

圖1　UCERP非均勻分簇機制

2.1MSPC

2.1.1功率控制模型

為了保證網絡的覆蓋率及連通度，需要各個Sink節點之間協商運行時的工作功率。在參考文獻[6]和參考文獻[7]中描述了如何利用Friis公式計算節點的接收功率，如式(1)所示：

(1)

式中：Pr為節點的接收功率；Pt為節點的發射功率；gt，gr分別為發送天線和接收天線的增益；λ為由載波頻率所決定的載波波長；d為發送節點和接收節點之間的距離；n為信道衰落系數，通常取2。

由式(1)可得到節點的發射功率：

(2)

式(2)中，λ，n，gt，gr在無線傳感器網絡中都是確定值，參考文獻[8]研究表明，可根據所接收信號的強度推算接收功率，因此，當d值為Sink節點的最佳通信半徑時，可通過式(2)計算最優發射功率，從而將發射功率的控制問題轉換為通信半徑的控制問題。

2.1.2網絡覆蓋率

在長為a、寬為b的矩形區域內部署2個Sink節點S1，S2，如圖2所示。Sink節點位于該矩形區域的中央位置，如果2個Sink節點的無線通信半徑相交且交點(即E，F)位于該矩形區域之外，同時該矩形區域的4個頂點(即A，B，C，D)都位于2個Sink節點的無線通信半徑之內，則可以保證2個Sink節點對該矩形區域的覆蓋率為100%。

圖2　具有2個Sink節點的無線傳感器網絡

根據上述分析，網絡中存在2個Sink節點時，其無線射程需要滿足式(3)：

(3)

式中：(x,y)為位于Sink節點通信范圍內的任意傳感器節點坐標；(xS1，yS1)，(xS2，yS2)分別為2個Sink節點在矩形區域內的坐標；rS1，rS2分別為2個Sink節點的無線射程。

為了實現覆蓋率為100%，且每個Sink節點的發射功率最小，可定義函數：

(4)

s.t.

xE>0,xF

yE≥b,yF≤0

式中：(xA，yA)，(xC，yC)，(xE，yE)，(xF，yF)分別為點A，C，E，F的坐標。

以上分析了Sink節點個數為2的情況。當Sink節點超過2個時，分析方法類似。

2.1.3分布式功率控制算法

在MSPC中，為了保證不同的Sink節點之間正常通信，首先需要定義一種握手數據包，如圖3所示。

圖3MSPC握手數據包的幀格式

該握手數據包包括3個數據域：Header，表示握手數據包頭；Sink ID，全網唯一，用于標識各個Sink節點，按升序排列；Sink Location，表示初始狀態Sink節點的位置。網絡初始化時，通過該握手數據包實現各Sink節點之間信息的交互。

將k個Sink節點部署在L×W的網絡中，其坐標為(xSj,ySj)，j=1,2，…，k。為方便說明，令P(a,b)為一矩形區域，C(xSj,ySj,rSj)表示以(xSj,ySj)為圓心、以rSj為半徑的圓形區域。為了保證Sink節點對網絡的整體覆蓋，須滿足式(5)：

(5)

根據功率控制模型中的結論，Sink節點發射功率的計算問題實際上是最優通信半徑的求解問題。

根據參考文獻[5]，為了保證所有Sink節點覆蓋整個網絡，從第2個Sink節點開始的無線射程rSj(j=2,3,…,k)必須滿足式(6)：

(6)

由此可得如圖4所示的3種無線射程情況。通過計算可使各Sink節點獲得最佳的無線射程，從而使每個Sink節點獲得最優的發射功率。

各Sink節點的無線射程為

(7)

(c) 射程偏小

在各Sink節點的發射功率調整完畢后，即可使用UCEB進行分簇。MSPC流程如圖5所示。

圖5　MSPC流程

2.2Sink節點覆蓋區域內的UCEB

MSPC執行完后，在各Sink節點覆蓋的區域內根據UCEB進行分簇和數據傳送。UCEB包括候選簇首的選擇、非均勻競爭半徑的計算、最終簇首選取和簇的形成3個部分。

2.2.1候選簇首選擇

各Sink節點在完成功率的調校后，將獲得各自的覆蓋區域，并在其覆蓋區域內廣播Sink ID，接收到相同Sink ID的傳感器節點被認為位于同一個區域內，然后在該區域進行分簇處理。

采用參考文獻[2]提出的方法選擇候選簇首。預設一個閾值T，首先傳感器節點隨機產生一個值u，u∈[0,1],利用式(8)計算：

(8)

式中：E0，E分別為某一個傳感器節點的初始能量和剩余能量。

將各個傳感器節點的u0和閾值T進行比較，選擇滿足關系u0≤T的傳感器節點成為候選簇首，其他傳感器節點則作為普通節點進入睡眠狀態。

對式(8)進行分析可知，具有較大剩余能量的傳感器節點更容易成為候選簇首節點。

2.2.2非均勻競爭半徑的計算

為了減少各Sink節點覆蓋區域內的簇間干擾，控制簇的規模，從候選簇首中確定最終簇首，需要獲得一個合適的非均勻競爭半徑。參考文獻[3]提出一種非均勻競爭半徑計算公式，但未考慮傳感器節點的剩余能量。本文提出的非均勻競爭半徑計算公式為

圖3b為距離掘進工作面2 m的yz截面濃度等值線圖，由圖可知，風筒距離工作面3 m處，高濃度的硫化氫貼附回風巷壁向外回流，截齒頭至進風側巷道硫化氫體積分數不超過15×10-6；風筒距離工作面5、7 m時工作面附近硫化氫分布規律相似，下隅角處高濃度的硫化氫隨回風進入渦流區域，硫化氫的分布范圍明顯擴大，當L=5 m時截齒頭至回風側硫化氫濃度達到最高，超過了35×10-6，因此風筒在此位置時最不利于硫化氫的集中治理，也加劇了掘進機司機處的污染程度。

(9)

對式(9)進行分析可發現，競爭半徑的大小和候選簇首與Sink節點距離、剩余能量均存在正向關系，即距離和剩余能量越小，競爭半徑也越小，從而實現能耗均衡。

2.2.3最終簇首選取和簇的形成

UCEB中每個傳感器節點需要保存一張鄰居節點表，表中存儲其鄰居傳感器節點的相關信息，所有收到相同Sink ID的傳感器節點位于同一區域內，同時接收到2個Sink ID的傳感器節點則計算自身到Sink節點的距離，選擇較為靠近的Sink節點所覆蓋區域并加入簇。表1為某候選簇首的鄰居節點表，其由候選簇首ID、狀態、剩余能量和到Sink節點的距離構成。

表1　某候選簇首的鄰居節點表

以下為UCEB算法流程。

(1) 收到相同Sink ID的傳感器節點組成一個區域，重疊區域的傳感器節點將獲得2個Sink ID，此時分別計算傳感器節點到2個Sink節點的距離，將傳感器節點加入距離較近的簇中。

(2) 每個傳感器節點計算u0，并與閾值T進行比較，小于閾值T則成為候選簇首，否則成為普通傳感器節點，并計算非均勻競爭半徑rra。

(4) 每個候選簇首啟動定時器。

(5) 若某候選簇首在其定時器時間結束前沒有收到鄰居候選簇首的消息，表明該候選簇首競選成功，轉向步驟(7)，否則轉向步驟(6)。

(6) 該候選簇首競選失敗并退出競選，成為普通傳感器節點。

(7) 該候選簇首競選成功，成為簇首，發送競選成功消息給其所有鄰居候選簇首。

(8) 簇首以rra為半徑廣播競選成功消息給普通傳感器節點。

(9) 普通傳感器節點發送加入消息通知簇首，成為簇成員，并向簇首傳送數據。

為方便說明，將候選簇首Vq的鄰居節點表記為Neitab(Vq)。該鄰居節點表可表示為

Neitab(Vq)={Vl| Vl為候選簇首，且

range(Vq,Vl)

range(Vq,Vl)表示候選簇首Vq與Vl之間的距離；rraq,rral分別為候選簇首Vq，Vl的非均勻競爭半徑。定時器時間t可利用式(10)計算。

(10)

式中：h為一隨機產生的實數，其取值范圍為[0,1]；t0為事先約定的候選簇首競選持續時間；Ea，Da分別為競爭半徑內所有傳感器節點的平均剩余能量和平均距離，可參考文獻[9]進行計算。

(11)

(12)

3　仿真與分析

3.1UCERP分析

對UCERP中涉及到的參數T，ω1，ω2，rmax取值進行分析和說明。

T的取值直接影響候選簇首數量，ω1和ω2的取值則體現了傳感器節點剩余能量和傳感器節點到Sink節點的距離對簇競爭半徑的影響程度，這3個值的選取必須適當，否則會對網絡生存期造成較大影響。實驗證明，T，ω1，ω2取值分別為0.4，0.6，0.2可獲得最佳效果。

rmax的取值直接影響到非均勻競爭半徑rra的大小。由于分簇發生在各Sink節點通信半徑調節完成后，因此rmax不可能大于rSj。而在一些大型煤礦井下的試驗證明，rmax=75 m[10]。因此在計算過程中，當rSj>75 m時，rmax=75 m；當rSj<75 m時，rmax=rSj。

3.2算法仿真

為了驗證UCERP適用于煤礦巷道的長帶狀結構，在連通度、延時和網絡生存期上，將UCERP和MSGA進行對比分析。采用Java語言，利用OMNET++4.2作為仿真工具搭建仿真平臺，試驗參數見表2。

表2　試驗參數

連通度是指被Sink節點覆蓋的傳感器節點占全部傳感器節點的比例。當Sink節點數量達到一定值時，連通度為100%，意味著所有的傳感器節點都被網絡覆蓋到。所有試驗結果都是對1 000次仿真結果求平均值。圖6為Sink節點數量變化時，采用UCERP與MSGA的平均連通度對比。可見隨著網絡中Sink節點的增加，采用UCERP時網絡平均連通度更有優勢，如Sink節點數量為12時，MSGA的連通度為74%，UCERP為98%。

圖6　采用UCERP與MSGA的平均連通度對比

延時是指數據包從簇首節點到Sink節點的傳輸時間。主要對不同數量Sink節點的延時情況進行對比。圖7為Sink節點數量變化時數據包延時對比，可看出Sink節點數量為4時，數據包延時最小。可見多Sink節點網絡環境下，數據延時將大大減小。

圖7　Sink節點數量變化時數據包延時對比

圖8為Sink節點數量變化時，采用UCERP與MSGA的網絡生存期對比，分別進行50次仿真，對其生存期取平均值。可看出采用UCERP時較采用MSGA的網絡生存期提高14%左右，即UCERP具有更好的能耗均衡性能。

圖8　采用UCERP與MSGA的網絡生存期對比

4　結語

在分析煤礦巷道長帶狀結構的基礎上，提出了一種適用于煤礦巷道的基于多Sink節點的無線傳感器網絡路由協議，并在仿真工具OMNET++環境下實現了建模和仿真。仿真結果證明該路由協議在連通度、延時和網絡生存期上符合煤礦巷道多Sink節點的網絡環境，能有效降低能耗、延長網絡生存期。

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Research of routing protocol for wireless sensor network in coal mine tunnel based on multi sink nodes

LI Wanghuai1,XIA Xu1,2

(1.Department of Electrical and Information Engineering, Hunan Vocational College of Security Technology, Changsha 410151, China; 2.School of Software, Central South University,Changsha 410075, China)

When traditional wireless sensor network based on single sink node is applied in coal mine monitoring system, the sensors far away from tunnel crossing cannot transmit monitoring data to sink nodes in the tunnel crossing real timely and exactly. In order to solve above problem, a routing protocol for wireless sensor network based on multi sink nodes was proposed which was suitable for long strip structure of coal mine tunnel. The protocol introduces wireless sensor network structure based on multi sink nodes and unequal clustering thought, and adopts a power control algorithm based on multi sink nodes and an unequal clustering algorithm to optimize the optimal communication radius, transmit power, cluster head selection and calculation method of unequal radius of each sink node. The simulation results show that the protocol has advantages in connectivity, delay and network lifetime, and can reduce the whole network energy consumption effectively and prolong network survival time.

coal mine tunnel; wireless sensor network; multi sink nodes; routing protocol; power control; unequal clustering

1671-251X(2016)06-0046-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.012

2016-02-02；

2016-04-15；責任編輯：李明。

國家自然科學基金資助項目(61272149)；國家安全生產監督管理總局安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(hunan-0012-2015AQ)；中南大學博士生自主探索創新項目(2014zzts043)。

黎望懷(1973-)，男，湖南汨羅人，副教授，主要研究方向為應用電子技術、無線傳感器網絡、煤礦安全技術，E-mail:672703649@qq.com。通信作者:夏旭(1980-),女,湖南益陽人,副教授,博士研究生,研究方向為無線傳感器網絡、煤礦安全監控技術，E-mail:wuwuxuxu@163.com。

TD67

A網絡出版時間：2016-06-01 10:28

黎望懷, 夏旭.基于多Sink節點的煤礦巷道無線傳感器網絡路由協議[J].工礦自動化，2016,42(6)：46-51.