煤矿井下无线传感器网络能量均衡分簇路由协议的研究

论文摘要

我国煤矿事故频发,构建基于无线传感器网络的智能监控系统将有效改善事故检测能力和灾后应急处理能力,是煤矿安全生产布局和信息化建设的着力点。无线传感器网络存在严重的能量约束问题,根据井下巷道的环境和结构特点设计能量高效的路由协议对延长网络生存时间和提高监控质量起着决定性的作用。井下无线传感器网络拓扑呈长距离带状,能耗不均、数据冗余及数据延迟问题十分严重。基于分簇的路由能有效降低数据延迟和网络能耗,并显著提高网络的可扩展性,比平面路由更适合应用于矿井环境。传统的分簇机制虽然节省了通信能量,但并不能有效解决节点间的能耗不均问题。首先,簇首承担了簇内管理及簇间通信的任务,能耗比普通节点多；其次,簇首在采用多跳方式将数据传回时,离汇聚点较近的节点因频繁转发其他簇首的过路数据而负担过重；再次,簇问路由过程中,数据的转发集中在某些较优路径上,这些路径上的节点因频繁参与路由转发而能耗过重。煤矿井下无线传感器网络的分簇路由中,簇首近似分布在一条直线上,下一跳选择单一,能耗不均问题进一步恶化。为解决上述能耗不均问题,提出了一个基于非均匀分簇的能量均衡路由协议UCEBRP （Uneven Cluster-based Energy-balanced Routing Protocol for Wireless Sensor Networks in Coal Mines）。UCERP的核心是一个用于拓扑控制的分布式自适应成簇算法EBACS（Energy-balanced Adaptive Clustering Scheme）和一个能量有效的簇间多跳路由算法EEICR （Energy-Efficient Inter-Cluster Routing）。EBACS中,通过周期性重选簇首机制使网中节点轮流担当簇首以便共同分摊节点因担任簇首带来的额外能耗。为避免低能量节点当选为簇首而过早死亡,引入了候选簇首机制,只选择部分能量较高节点参与最终的簇首竞选。算法根据候选者离汇聚点的远近及自身的剩余能量产生规模不等的竞争范围,并以自身和邻候选簇首的相对能量水平为依据竞选成为簇首,构造出规模不一样的簇。该策略使离汇聚点近的簇首所在的簇的规模更小,从而减少簇首在簇内管理上所花费的能耗,以便预留更多的能量用于转发过路数据。对转发任务轻重相近的节点,该方法又根据剩余能量调节簇的规模,使能量低的节点簇规模更小,从而在这些节点间也实现能量均衡。矿井无线传感网中,簇首近似地分布于一条直线上,本文采用线型模型来研究簇间多跳路由算法。EEICR依据线型网络中节点数据传送最佳跳数及最佳下一跳跳距的相关理论设计。算法中,节点在选择下一跳时,既注重跳距和最佳跳距的接近程度以便最大程度上逼近理论上的最佳传输路径,同时也考虑中继节点间的能量水平,实现这些转发节点间的能量均衡。最后,通过模拟实验对UCEBRP的参数和性能进行了分析,与现有的几个经典分簇路由的比较表明,UCEBRP显著平衡了带状网络中节点的能耗,延长了网络生存时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 无线传感器网络在煤矿中的应用研究现状
• 1.2.2 煤矿井下无线传感器网络路由协议研究现状
• 1.2.3 无线传感器网络分簇路由协议研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 无线传感器网络及路由协议概述
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 网络体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络的特点及面临的挑战
• 2.2 无线传感器网络路由协议概述
• 2.2.1 WSN路由协议的特点
• 2.2.2 WSN路由协议的设计目标
• 2.2.3 路由协议的分类
• 2.2.4 经典路由协议介绍
• 2.3 基于WSN的煤矿安全监控系统及WSN的特点
• 2.4 矿井WSN路由协议设计目标及选择分簇路由协议研究的原因
• 2.5 本章小结
• 第3章 分簇路由的能耗不均问题
• 3.1 LEACH协议及分簇机制简介
• 3.1.1 LEACH的分簇算法
• 3.1.2 对LEACH能量有效性分析
• 3.2 分簇路由协议中的数据传输方式及能耗不均问题
• 3.2.1 分簇方式下的数据路由
• 3.2.2 能耗不均问题
• 3.3 现有的基于能量均衡的分簇思想
• 3.3.1 成簇过程中的局部簇调整策略
• 3.3.2 非均匀分簇策略
• 3.4 线型拓扑下分布式能量感知路由的现有研究
• 3.5 能量均衡分簇策略的设计原则总结
• 3.6 本章小结
• 第4章 簇规模自适应调节的非均匀分簇算法EBACS
• 4.1 矿井无线传感器网络的网络模型
• 4.2 EBACS的设计
• 4.2.1 候选簇首选择
• 4.2.2 非均匀竞争半径计算
• 4.2.3 簇首竞选
• 4.2.4 簇的形成
• 4.3 EBACS的分析
• 4.4 EBACS分簇算法中参数取值的分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 能量有效簇间多跳路由EEICR
• 5.1 基于最佳传输距离的能量有效簇间多跳路由算法
• 5.1.1 候选路由节点信息表的建立
• 5.1.2 路由选择策略
• 5.1.3 候选路由节点信息表的更新
• 5.1.4 EEICR算法描述
• 5.2 算法性能分析
• 5.2.1 △d取值分析
• 5.2.2 EEICR的能量有效性分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 UCEBRP的模拟及分析
• 6.1 UCEBRP的特点
• 6.2 分簇效果图示
• 6.3 UCEBRP性能分析
• 6.3.1 对比实验设计
• 6.3.2 实验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文主要工作
• 7.2 未来工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况