一种应用于煤矿井下LEACH路由协议的改进

吴 青，张 申，李曙俏，胡 兵，代 琳

(中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心信息与电气工程学院，江苏徐州221008)

0 引言

感知矿山物联网研究中心总体建设的核心目的是保证井下操作人员的安全和感知通信传感网络的稳定［1］。

由于传感器节点既要负责收集监测数据，又要完成数据传输等功能，并且煤矿井下大多为长带状分布的有限空间(传感器节点能量需求大)，所以，为了煤矿井下操作人员的安全，在人不能或不易到达区域(如采空区)布置的传感器节点的电源不能更换，使得传感器节点的能量消耗和生命周期变得尤为重要;因为LEACH协议具有很多优点，如分层次结构、本地数据联合处理和动态选择簇首等，所以，其应用于通信传感网络中较为稳定。因此，煤矿井下的无线传感器网络［2］也采用LEACH协议，但因为煤矿井下网络呈长带状分布(如巷道，采空区等)，信息流一般向一侧流向汇聚节点，假设数据融合量很小，这样数据流就会呈“棒槌”状，越靠近汇聚节点数据量越大，造成“热区”［3］问题，所以，需要对其进行改进。

感知矿山物联网的研究核心逐渐转向了如何使煤矿井下利用改进后的LEACH协议来减少无线传感器节点能耗和提高生命周期以及稳定无线传感网络。

由以上分析可知，单纯的LEACH协议已无法满足煤矿井下更好的作业［4］。为此，本文从防止普通节点加入簇的簇首能量过少、簇首间的单纯单跳方式以及“热区”等问题着手提出一个新的路由协议 LEACH—I(LEACH—improved)来解决煤矿井下能源效率和传感器网络生命周期问题。

1 LEACH协议

1.1 LEACH协议的描述

LEACH是Chandrakasan A等人［5］在设计低功耗自适应分簇无线传感器网络路由而提出的算法。

LEACH协议按随机地选择簇首的规则来实现网络载荷较为平均地分布到每个传感器节点中。首先，该协议把网络中的所有传感器节点分为若干簇，并且每个簇中只有一个节点可充当簇首。簇首采集簇中成员节点的数据，然后处理数据并发送到Sink节点。因为LEACH协议中簇首处理数据所需能耗要远远小于各个节点都把数据传输给Sink节点所需传输能耗，其与传统协议相比，LEACH协议可在一定程度上节约能量，再者其在传感网络中较为稳定，因此，可应用于煤矿井下。

1.2 LEACH应用于煤矿井下的不足

由于LEACH协议应用于不同传感网络中，并非永远都是最优协议。所以，继LEACH协议之后，又有很多基于不同角 度 的 改 进 算 法，比 如:LEACH—C［6］，LEACH—F［7］，LEACH—ED［8］。这些算法都是针对LEACH协议的某一个特定环境下的问题而提出的改进，却很少关注煤矿井下变介质对无线传感器的影响，电磁波的多径衰落等复杂环境以及长距离带状巷道与一般情况不同的路由网络。

LEACH协议应用于煤矿井下的主要不足主要如下:

1)LEACH协议中由于普通的传感器节点选择加入簇时，规定加入与其簇首最近的簇。如果该簇首的剩余能量很少，在下一轮时能量就很快就会消耗完，造成这个簇内所有传感器节点不能正常工作。

2)LEACH协议中设定每个簇的簇首直接与Sink节点采用单跳方式通信，但煤矿井下(比如巷道或采空区)大都上千米，若采用单跳路由形式，距Sink节点较远的簇首能量很容易耗尽，因负载过重而较早死亡，可能形成检测盲区，减少网络的生命周期。

3)煤矿井下的网络为长距离带状分布，数据传输总体由一侧流向Sink节点。越靠近Sink节点的簇首数据量越大，会因过早耗尽能量而死亡，形成“热区”问题。

2 LEACH协议的改进

要解决LEACH协议的“热区”问题，必须尽量杜绝网络内前后能量消耗不均匀的情况。簇首节点剩余能量是须考虑的最主要因素，其次也要防止普通节点加入簇的簇首能量过少。为此，本文提出一个新的路由协议LEACH—I。

其主要改进过程如下:

1)为防止普通节点加入簇的簇首能量过少。令a和b分别为普通节点到簇首的距离和簇首已耗能量参数的系数。且满足a+b=1。循环地现寻找合适的a和b值使Tmin最小，且

其中，Ec为簇首已耗能量，d(i，j)为簇首I到普通节点J的距离。

由文献［9］可知，a，b分别约为0.4和0.6时节点生存周期最长，故本文也采用a，b分别为0.4和0.6。

2)为了考虑簇首节点剩余能量，在簇首和Sink节点之间传输数据时，必须找到在簇首传输途中基于能量最小化的最优路径。同时为了解决网络中的“热区”问题，在设定参数G(X)时，必须考虑簇首剩余能量这个最主要的因素。

算法的主要步骤如下:

1)当一个簇首节点A想要发送数据包给Sink节点时，记G(X)为能量参数

G(X)包含两部分，一个是转发数据时所消耗能量的相关参数，即［d2(i，j)+d2(j，s)］，另一个是中间节点 X 本身的剩余能量。其中，d(i，j)为簇首节点I和普通节点J之间的距离，d(j，s)为普通节点J和Sink节点之间的距离，dA-X为簇首节点A到未知簇首节点X的距离，dX-S是未知簇首节点X到Sink节点的距离，EX是节点X的剩余能量。集合Sn为簇首节点A下一跳路由的所有可能的簇首节点。

2)由文献［10］知，簇首竞争半径的最大值为Rc，故簇首节点A以半径为2Rc向集合Sn中的簇首发送路由信息，所有接收到信息的簇首自发地计算G(X)，并发送簇首A。

3)簇首A比较收到的反馈数据G(X)后，选择G(X)值最小的簇首节点X。如果簇首节点A的G(X)值最小，那么就直接把数据传给Sink节点;否则，选择最小G(X)值的簇首节点B作为一个中间节点传输到Sink节点。

4)如果簇首节点B被选作中间节点的话，然后簇首节点B按照公式(2)继续寻找一个跳的簇首节点。循环上述步骤直到数据全部传输给Sink节点为止。

3 仿真结果与分析

本文在煤矿井下600 m×20 m的长带状分布场景做测试，随机分布的传感器节点数为200个。Sink节点位置为(650，10)，根据文献［6］的最优簇比例来仿真，本文设定P=5%。

参数如下:自由空间模型εfs和多路径衰减模型εamp分别为10 pJ/bit/m2，0.0013 pJ/bit/m4。本文设置每个节点初始能量为1 J，因为有200个节点，故总能量为200 J。

用Matlab进行仿真。主要从网络生命周期、网络能耗2个方面来比较 LEACH—I和 LEACH协议。仿真结果如图1、图2。

由图1可以看出:在开始一段时间之后，网络的节点开始逐渐死亡。同时在网络运行时间上来看，本文设计的LEACH—I路由协议的性能更佳。这是由于LEACH—I是根据煤矿井下长带状形状的网络而特殊设计，它同时考虑了普通节点加入簇的簇首能量和簇首节点剩余能量等几个因素。因此，LEACH—I协议可以提高网络的生命周期。

图1 网络生命周期的比较Fig 1 Comparison of network lifetime

图2 网络能耗的比较Fig 1 Comparison of network energy consumption

由图2知，随着时间轮数的增加，网络总能耗一直在增加。但改进后的LEACH—I协议在同等时间轮数的情况下，整个网络的总能耗消耗明显小于LEACH协议。LEACH协议大约在网络运行480轮左右时网络的能量被耗尽，而LEACH—I协议在网络运行了接近800轮全部能量被耗尽时，性能大约提高了66%。因此，LEACH—I协议更能减少整个网络的能量消耗。

4 结论

本文分析LEACH协议在煤矿井下应用的优势与不足，然后结合煤矿井下长带状分布的有限空间和复杂的地理环境，提出更适合应用于煤矿井下的LEACH—I路由协议。该协议降低了整个网络总的能量消耗，进而减少了工作人员再次到达危险区域(如采空区)，提高了井下操作人员的安全;同时该协议也延长网络生命周期，实现了通信传感网络的稳定，此设计方案达到了感知矿山物联网研究中心的研究目的。

［1］张 申，丁恩杰，徐 钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化［J］.工矿自动化，2010(11):129-132.

［2］任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络［J］.软件学报，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］刘晓文，闫静杰，苗 锦，等.矿井无线传感器网络LEACH协议的改进［J］.煤炭科学技术，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］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.

［9］武春娟，白运镇.基于能量的无线传感网络LEACH协议的改进［EB/OL］.中国科技论文在线［2010—03—22］.http:∥www.paper.edu.cn.

［10］房晓菲，沈永增，姚俊杰.一种基于LEACH的新型WSNs路由算法［J］.机电工程，2008，25(5):100-103.