矿井无线传感网络基于leach路由协议的改进方案

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1、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

2、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10~100m范围内,节点只能与其射频覆盖

3、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。2LEACH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

4、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(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy)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

5、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StephanieLindsey等人提出的PEGASIS（power-efficientgatheringinsensorinformationsystems）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

6、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：1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

7、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3sink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：（1）接收机接收m比特消息消耗的能量为：(2)为发射m比特数据所消耗的能量，为收到m比特数据所消耗的能量，为传输距离，为每发送或接收1比特数据传输所消耗的能量，为自由空间常数，为多路径衰落传输常数，和与所采用的输信

8、道模型有关。为传输距离的门限值，当传输距离大于时数据传输的消耗相当