煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡能量均衡分簇路由協(xié)議的研究.pdf

1、我國煤礦事故頻發(fā)，構建基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能監(jiān)控系統(tǒng)將有效改善事故檢測能力和災后應急處理能力，是煤礦安全生產(chǎn)布局和信息化建設的著力點。無線傳感器網(wǎng)絡存在嚴重的能量約束問題，根據(jù)井下巷道的環(huán)境和結(jié)構特點設計能量高效的路由協(xié)議對延長網(wǎng)絡生存時間和提高監(jiān)控質(zhì)量起著決定性的作用。井下無線傳感器網(wǎng)絡拓撲呈長距離帶狀，能耗不均、數(shù)據(jù)冗余及數(shù)據(jù)延遲問題十分嚴重。基于分簇的路由能有效降低數(shù)據(jù)延遲和網(wǎng)絡能耗，并顯著提高網(wǎng)絡的可擴展性，比平面路由更適合應

2、用于礦井環(huán)境。
　　 傳統(tǒng)的分簇機制雖然節(jié)省了通信能量，但并不能有效解決節(jié)點間的能耗不均問題。首先，簇首承擔了簇內(nèi)管理及簇間通信的任務，能耗比普通節(jié)點多；其次，簇首在采用多跳方式將數(shù)據(jù)傳回時，離匯聚點較近的節(jié)點因頻繁轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首的過路數(shù)據(jù)而負擔過重；再次，簇間路由過程中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)集中在某些較優(yōu)路徑上，這些路徑上的節(jié)點因頻繁參與路由轉(zhuǎn)發(fā)而能耗過重。煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡的分簇路由中，簇首近似分布在一條直線上，下一跳選擇單一，能耗

3、不均問題進一步惡化。
　　 為解決上述能耗不均問題，提出了一個基于非均勻分簇的能量均衡路由協(xié)議UCEBRP(Uneven Cluster-based Energy-balanced Routing Protocol for Wireless Sensor Networks in CoalMines)。UCERP的核心是一個用于拓撲控制的分布式自適應成簇算法EBACS(Energy-balancedAdaptive Cluster

4、ing Scheme)和一個能量有效的簇間多跳路由算法EEICR(Energy-EfficientInter-Cluster Routing)。EBACS中，通過周期性重選簇首機制使網(wǎng)中節(jié)點輪流擔當簇首以便共同分攤節(jié)點因擔任簇首帶來的額外能耗。為避免低能量節(jié)點當選為簇首而過早死亡，引入了候選簇首機制，只選擇部分能量較高節(jié)點參與最終的簇首競選。算法根據(jù)候選者離匯聚點的遠近及自身的剩余能量產(chǎn)生規(guī)模不等的競爭范圍，并以自身和鄰候選簇首的相對能

5、量水平為依據(jù)競選成為簇首，構造出規(guī)模不一樣的簇。該策略使離匯聚點近的簇首所在的簇的規(guī)模更小，從而減少簇首在簇內(nèi)管理上所花費的能耗，以便預留更多的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)過路數(shù)據(jù)。對轉(zhuǎn)發(fā)任務輕重相近的節(jié)點，該方法又根據(jù)剩余能量調(diào)節(jié)簇的規(guī)模，使能量低的節(jié)點簇規(guī)模更小，從而在這些節(jié)點間也實現(xiàn)能量均衡。礦井無線傳感網(wǎng)中，簇首近似地分布于一條直線上，本文采用線型模型來研究簇間多跳路由算法。EEICR依據(jù)線型網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)據(jù)傳送最佳跳數(shù)及最佳下一跳跳距的相關理論