基于煤矿巷道无线传感器网络L E A C H路由协议的改进

蒯 伟，高晓辉，张嘉元

（1.海军驻南京地区通信军事代表室，南京 210014；2.南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

1 引言

无线传感器网络[1]是由很多无线传感器节点组成，节点自组织地组成一个网络，利用自身携带的传感器感知信息、搜集数据并通过无线通信的方式发送到一个目的地，完成某一任务的智能型网络。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗损毁性强等特点，是远程环境监测的重要工具。随着信息技术的发展，它的重要性日益突出，并可广泛应用在医疗、军事、环境检测、工业、煤矿等领域。矿井下大多数区间如煤矿巷道呈现长带状，为了矿下工作人员的安全和对矿井下环境信息的实时掌握，需要对矿井下的环境进行监测，特别是一些工作人员不适宜到达的区域。所以矿井下WSN 技术的应用，则对于日益增多的矿难，矿井巷道安全，矿下环境检测有着十分重要的意义。

无线传感器网络中节点搜集数据并传输给Sink节点进行处理，而矿井下煤矿巷道区间受限，部署在煤矿巷道中的无线传感器网络呈狭长的长带状分布，信息一般会向一侧流向汇聚节点，这样数据流就会呈“棒槌”状，越靠近汇聚节点数据流量越大，最终会造成靠近汇聚节点的节点能量消耗过大而过早死亡，大大限制了整个网络的生命周期，形成“热区”问题[2]。另外布置的传感器节点是自带电源，电源又不能更换，使得降低传感器节点的能量消耗和延长网络的生命周期尤为重要。

2 L EACH协议

2.1 算法描述

LEACH路由协议[3]是MIT的Chandrakasan等人专门为WSN设计的低功耗自适应层次型路由算法。

LEACH协议的基本思想是不断地随机选择簇首节点，从而将整个网络的能量负载能够平均分配到网络中的所有节点，从而达到减少网络能量消耗、提高网络整体生存时间的目的。LEACH引入了“轮”的概念，每一轮为一个固定时间，即一个周期，每一轮又分为簇的建立阶段和簇的稳定通信阶段。在簇的建立阶段，网络随机地选择一些节点作为簇首，被选为簇首的节点向周围发送广播消息，其他节点则根据接收到的消息的信号强度决定加入哪个簇，并回复该簇首。

在簇的数据通信阶段，节点将自己搜集到的数据信息发送给簇首，簇首将收到数据进行简单处理后，发送给Sink节点。所以簇首承受的任务比较重，能量消耗较大，所以要不断的更换簇首，以平均整个网络的能量消耗。通信一段时间后，网络的簇首会重新选举，并进入新一轮的簇首选举过程。所以与传统协议相比，LEACH协议能节省许多能量，又利于延长网络的生命周期，而且，相对比较稳定，所以适合应用在矿井下。

2.2 L EACH协议应用于长带状煤矿巷道的不足

在典型的分簇路由协议中，LEACH是第一个基于多簇结构的路由协议，其中的成簇思想在以后的许多路由协议中都有引用。LEACH-C[4]、LEACH-F[5]、LEACH-ED[6]都是 在 LEACH 协 议 的基础上，从不同角度对LEACH协议进行的该进，但很少关注在环境复杂、呈长带状受限区间煤矿巷道下的矿井中的应用。

但LEACH协议直接应用在矿井下，还有一些不足之处：

（1）LEACH协议簇首选择没有考虑节点剩余能量，会造成同一节点多次担任簇首，导致该节点负载过重，而使其过早死亡，不利于网络生存时间延长。（2）由于节点的分布位置是随机的，有些地方可能非常密集，有些地方非常稀疏，但是LEACH协议中没有考虑节点的具体位置，会造成节点多的地方可能没有簇首，节点少的地方有几个簇首，簇首节点分布不均，随之网络能耗就不均衡，这在很大程度上影响了LEACH协议的性能。（3）LEACH协议中，每个簇的簇首节点与基站之间直接进行通信，但是实际中煤矿巷道长度大都上千米，而Sink节点一般在巷道入口处，若仍然采用单跳通信，由于节点能量有限，则距离Sink节点较远的簇首会因能量耗尽而过早死亡，降低网络的生命周期，并还可能形成检测盲区[7]。（4）矿井下的网络为长距离带状的网络分布，数据从一侧传向位于另一侧的Sink节点，越靠近Sink节点数据量越大，能量消耗越大，造成较早死亡，形成“热区”问题。

3 L EACH协议改进

针对以上LEACH协议存在的问题，设计了一种新的适用于煤矿巷道这种长距离带状网络的路由协议LEACH-LK。

3.1 簇首选择算法改进

如前面所述，LEACH协议的簇首是随机产生的，节点部署也是随机的，并没有考虑节点的剩余能量和节点的地理分布情况。因此我们在研究长距离带状煤矿巷道网络时考虑进去节点的剩余能量和节点所处的地理位置信息，这样就会解决节点密度大的地方没有簇首的情况，降低网络的能耗。根据以上信息，本文对LEACH协议的门限值T（n）进行改进，加入节点的剩余能量和簇首节点的邻居节点个数信息，得出新的门限值T（n）的计算公式，如公式（1）：

式中，a1+a2=1，0

3.2 簇的建立

为了更加有效解决长带状网络数据传输造成的“热区”问题，我们采用非均匀建簇算法。该算法考虑进去了节点的剩余能量和节点与Sink节点的距离两个因素，来确定簇的大小。实现如下：

部署网络时，基站节点以一固定发送功率向全网发送一个hello信号。每个传感器节点在接收到此信号后，根据接收到的信号的强度来计算它到基站的近似距离dn。这个距离dn是本文非均匀分簇中计算簇的半径的必要参数。一旦某个节点通过公式（1）计算成为备选簇首节点，就可以根据计算公式（2）来算出该备选簇首的覆盖半径Re的大小。

备选簇首半径Re的计算公式如式（2）所示：

式中，c1，c2是权重因子，0

3.3 改进协议在巷道中的模型

通过以上改进策略，改进后的长带状煤矿巷道协议模型，如图1所示。该协议是分簇无线长带状能量有效多跳路由协议模型：

图1 改进后煤矿巷道无线传感器网络模型

该网络中的所有传感器节点随机均匀分布在矿井下巷道中，每一个圆形代表一个簇，簇内由簇首节点和簇内其他节点组成。普通节点搜集数据，把数据发送给其所在簇的簇首，簇首再把收到的数据进行融合，以多跳方式传送至Sink节点。簇有大有小，离Sink节点近的簇较小，离Sink节点越远的簇越大。这样可以有效减轻长带状网络所带来的“热区”问题，平衡整个网络的能量消耗，不至于整个网络过早死亡。

4 仿真过程及结果

在本仿真实验中，我们利用NS2进行仿真，首先我们引用文献[8]的其中两中评价方法：Fi r st Node Dies（FND），即第一个节点死亡和Ha l f Node Alive（HNA），一半存活，来评价我们改进后的协议（LEACH-LK）的性能。然后再从网络存活节点数和网络的总能耗两个方面进行比较。实验中，我们取网络节点数为N=200，随机分布在600m×20m的类似煤矿巷道的长带状场景中，Sink节点位置放在（650，10）处。每个节点的初始能量是1J，这样整个网络的总能量是200J。每个数据包大小固定为500Byte，即4000bit，每种类型的包头长度为25Byte（200bit）。所有节点一旦放置就不能再移动。簇头数以LEACH协议的最优簇头比例来计算，这里取p=5%。经过多次实验证明，权重系数a1，a2，c1，c2分别取0.6，0.4，0.4，0.6，可使算法达到最佳性能。

图2 从FND和HNA角度网络生命周期对比

经过50次实验，比较改进后的LEACH-LK协议和原LEACH协议，从FND的角度，LEACH-LK 的性能提高了31.8%，从HNA的角度，整个网络的生命周期有27.3%的提高，如图2所示。由此可见，改进后的协议（LEACH-LK）比LEACH协议更能适合于长带状煤矿巷道的环境中。统计仿真后的存活节点数和能量数据得到如图3和图4的仿真图。由图3可知，仿真开始一段时间之后，网络中的节点开始逐渐死亡。同时，在网络运行时间上看，本文改进后的协议LEACH-LK路由协议性能更佳。这是由于改进的协议是根据煤矿巷道这种长带状形状而设计，它同时考虑了节点的剩余能量和邻居节点个数，并在建簇时根据与Sink节点距离的大小和本身剩余能量的大小，决定簇的大小，很大程度上均衡了整个网络的能耗分布，因此改进后的协议更能提高网络的生命周期。

由图4可知，改进后的协议在网络能量消耗上在同等时间的情况下，整个网络的总能耗明显小于LEACH协议，而且能耗消耗也更加均衡，上升更加平缓。LEACH在网络运行到500秒时，能耗不再上升，而改进后的协议LEACH-LK在750秒时能耗不再变化，网络生命周期大大约大提高了50%，因此改进后的协议比原LEACH协议有更好的性能。

图3 网络生命周期

图4 网络总能耗

5 结束语

本文深入分析了LEACH协议在煤矿巷道中应用的优势与不足，然后结合煤矿巷道这种长带状分布的网络提出了更适合于应用于煤矿巷道这种长带状形状的路由协议LEACH-LK。该协议通过加入节点的剩余能量和节点的邻居节点个数形成了新的选择簇首的阈值，并采用非均匀分簇，考虑进去节点的剩余能量和备选簇首与Sink节点的距离，使得离Sink节点近的簇小，离Sink节点远的簇大，从而更好地均衡了整个长带状网络的能耗分布，通过仿真证明，相比原LEACH协议，改进后的协议能更好地降低网络总的能量消耗，更有效地延长了网络的生命周期，进而有助于避免矿井下工作人员到达危险区域，保护了井下操作人员的安全与井下通信的稳定。

[1] 任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络.软件学报[J]，2003，14（07）：1282-1291.

[2] 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.

[3] HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHMAN H.Energyef fi cient communication protocol for wireless sensor networks[A].Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences[C].Piscataway，USA：IEEE，2000.175-187.

[4] HEINZELMAN W，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAM H.An application-speci fi c protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans.On Wireless Communications，2002，1（4）：660-670.

[5] HEINZELMAN W.Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Networks[D].Ph.D Dissertation.Boston：Massachusetts Institute of Technology，2000.

[6] 顾相平，孙彦景，钱建生.一种改进的无线传感器网络LEACH-ED算法[J].传感技术学报，2008，21（10）：1770-1774.

[7] 吴青，张申，李曙俏等.一种应用于煤矿井下LEACH路由协议的改进.传感器与微系统，2012，31（4）：1000-9787.

[8] HANDY M J，TIMMERRNANN M D.Low energy adaptive clustering hierarchy with deterministic cluster-head selection[C]//Proc of the 4th IEEE Conf on Mobile and Wireless Communications Networks.Stockholm：IEEE Communications Society，2002：368-372.