基于跨层设计的煤矿井下无线传感器网络路由协议研究

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1、博士学位论文基于跨层设计的煤矿井下无线传感器网络路由协议研究StudyontheOptimizedRoutingProtocolofWSNsunderCoalMinebasedonCross-layerDesign作者：任鹏导师：钱建生教授中国矿业大学二○一六年十二月中图分类号TP393学校代码10290UDC密级公开中国矿业大学博士学位论文基于跨层设计的煤矿井下无线传感器网络路由协议研究StudyontheOptimizedRoutingProtocolofWSNsunderCoalMinebasedonCross-layerDesign作者任鹏导师钱建生申请学位工学博

2、士培养单位信电学院学科专业通信与信息工程研究方向无线网络跨层设计答辩委员会主席评阅人二○一六年十二月论文审阅认定书研究生在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢博士阶段的学习转眼间即将结束，在各位老师的谆谆教导下，我的专业知识得到丰富，实践能力得到锻炼和提高。毕业之际向所有关心和帮助过我的各位老师和同学表达最诚挚的谢意！首先感谢我的导师钱建生教授，他为我博士阶段的研

3、究和学习提供了广阔的平台；其次还要感谢研究所的其它老师，他们是：李世银教授、孙彦景教授、程德强教授、李雷达教授、冯小龙副教授、蔡丽梅副教授等，他们为我的学术研究提供了指导和帮助，我谨向导师及实验室的各位老师表示最诚挚的谢意。他们关心爱护学生，在人生道路上给我正确的指导，在工作和生活上给我很多关怀。感谢他们所提供的无私帮助与悉心指导，导师的培养之恩，我将铭记在心。感谢我的师兄赵志凯、李晓斌，他们在我进入博士学习初期，给予了我许多的建议和帮助，使我在研究生刚开始的阶段就明确了从事的科研课题方向。同时感谢本实验室同学，在我遇到一些棘手问题的时候总是在跟他们的讨论中找到解决的办法

4、。他们给了我很多帮助，同时我在研究生阶段感受到了非常珍贵的友情。感谢多年来一直默默支持我的父母家人，他们无怨无悔，用无言的爱始终做我的坚实后盾，感谢他们对我的鼓励和爱护，感谢他们对我的理解和支持。最后感谢参与论文评审的各位专家，感谢你们在百忙中给论文提出宝贵的意见！摘摘摘要要要要矿山安全监测对保障矿山安全和生产起着重要作用，其复杂环境下难以保证各类数据信息高效稳定的传输，需要改进信息网络分布的合理性和适应环境变化，保障网络稳定、可靠、高效的传输性能。无线传感器网络作为智慧矿的一个重要技术平台，在网络底层实现目标的监测与控制，有效地解决无线传输最后一公里的应用目标。其价格低

5、廉，易于部署，快速组网的特点使其更加适合井下复杂环境的应用。本文针对煤矿井下环境特征及无线传感器网络在井下应用需求，结合无线传感器网络的自组织性特点，运用跨层设计技术对井下网络组网和路由技术进行研究，使其更加适应井下环境变化对网络的影响和用户应用需求，提高网络系统数据传输的效率。主要研究工作包括：1）针对井下巷道窄长的空间结构和复杂的环境特征，从数据传输不对称性方面分析无线多跳网络数据传输时出现的“能量空洞”问题，提出一种能耗均衡跨层WSN路由协议(EBUCR)。通过建模计算部署于巷道内的簇首有效生成密度，运用跨层设计将下一跳路由节点的链路可用带宽和节点负载容量作为选取路

6、由节点的重要因素。从网络上层骨干节点的拓扑结构和路由节点选择两个方面来均衡数据传输。仿真实验表明，EBUCR协议实现了簇首节点的非均匀分布，均衡网络不同区域内的能量消耗，提高了网络吞吐量和传输率，更适应于井下巷道内大规模部署的传感器节点数据传输。2）针对采煤工作面严重的无线信道衰落特征，提出一种适应信道衰落的分簇协议(PEAFC-CL)。首先，动态调整节点随机生成数的窗口，保证每轮簇首数目最优；其次，通过探测帧获取节点与基站间的信道效率，联合节点剩余能量信息，作为簇首选则的判断依据，设计一种自适应信道衰落的分簇协议。最后，通过衰落储备法调节节点不同时期的发送功率。仿真结果

7、表明，PEAFC-CL协议中网络拓扑比较稳定，在信号衰落环境下适应性强，有效的延长了网络生命期，降低了网络丢包率。3）为了满足井下多种业务类型的数据传输需求，适应复杂环境对网络的影响，提出基于直觉模糊集的多QoS属性约束下的多径路由决策协议（FMQMRP）。运用跨层技术在多径路由基础上保障最低限度满足QoS需求，发现维护多条传输路径。通过直觉模糊集理论将多个参数在多路径中的优劣进行模糊集规范化，建立多参数多径路由决策矩阵。利用信息熵理论客观计算各个参数权重，利用TOPSIS法决策多路径的优劣。结果表明，FMQMRP协议有效地解