采煤工作面信道衰落環(huán)境下的WSN分簇協(xié)議

2017-05-09 09:47:43錢建生馮小龍

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2017年3期

錢建生，任鵬，馮小龍

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

錢建生，任鵬，馮小龍

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

針對無線信號在采煤工作面環(huán)境時變衰落特征，提出一種基于跨層設(shè)計的分簇協(xié)議(LEACH-CL)，記錄參與競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)和設(shè)置滑動窗口，穩(wěn)定簇首生成數(shù)最優(yōu). 通過探測幀獲取節(jié)點(diǎn)與基站間的信道效率，聯(lián)合節(jié)點(diǎn)剩余能量信息，作為簇首選則的判斷依據(jù)，設(shè)計一種適應(yīng)無線信號衰落的成簇協(xié)議，并通過一定的衰落儲備法調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)不同時期的發(fā)送功率. 仿真實(shí)驗(yàn)表明：與同類3種算法(LEACH、ALEACH和 LEACH-SWDN)比較，LEACH-CL協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^穩(wěn)定，在信號衰落環(huán)境下適應(yīng)性強(qiáng)，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命期，降低網(wǎng)絡(luò)丟包率，更適應(yīng)于采煤工作面復(fù)雜多變環(huán)境特征.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇；信道效率；抗衰落；跨層設(shè)計

煤礦采煤工作面環(huán)境復(fù)雜多變，空間內(nèi)采煤設(shè)備及其相關(guān)電氣設(shè)備聚集，且空氣高溫潮濕，粉塵大，是煤礦災(zāi)害危險系數(shù)最高的場所，不適宜人員作業(yè). CMFM-WSN(coal mining face monitoring with wireless sensor networks)技術(shù)的發(fā)展為采煤工作面的檢測和控制提供了技術(shù)支持. WSN是一種低功耗能量受限的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)自組織性特點(diǎn)，且具有一定的抗毀性，因此，能量高效，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并適應(yīng)環(huán)境變化的CMFM-WSN協(xié)議是井下采煤工作面WSN應(yīng)用的研究重點(diǎn)[1]. 分簇協(xié)議是目前應(yīng)用最廣，適用性強(qiáng)，自組織性管理較好的協(xié)議. 文獻(xiàn)[2-3]對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議作了總結(jié)，最典型的WSN分簇算法LEACH[4]是最早提出應(yīng)用于WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木垲惪刂扑惴?，此后演變出ALEACH[5]、 LEACH-FL[6]、 W-LEACH[7]、LEACH-SWDN[8]等相關(guān)同族分簇協(xié)議. 在WSN聚類算法中，研究者大多將研究點(diǎn)集中在分簇規(guī)則和分簇拓?fù)湎碌穆酚蓞f(xié)議. 分簇算法主要從簇首的選舉策略和成簇規(guī)則方面考慮，而在簇首選舉和成簇過程中，研究者常將一些參數(shù)作為選舉簇首的依據(jù)，如節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離及鄰節(jié)點(diǎn)度等，由此形成尺寸大小、均勻度不等簇類，如均勻成簇PEGASIS[9]和非均勻成簇EC[10]. 在簇間路由方面，分為簇間單跳LEACH或者多跳通信LEACH-IACA[11]兩類，在大規(guī)模部署區(qū)域內(nèi)，人們常選擇簇間多跳通信，這樣有利于節(jié)約能耗和最大吞吐量，而較小區(qū)域內(nèi)(即無線傳感器節(jié)點(diǎn)通信范圍可達(dá)的情況下)選擇簇間單跳通信. 采煤工作面的空間距離決定簇間滿足單跳通信方式，單跳通信也有利于降低數(shù)據(jù)傳輸延遲. 相關(guān)研究表明，采煤工作面空間的變化，電器化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備及操作人員的移動等對CMFM-WSN影響極大，突出表現(xiàn)為電磁波傳輸波動劇烈，噪聲干擾強(qiáng)，陰影衰落、鏈路中斷等，物理層數(shù)據(jù)參數(shù)(如RSSI、SNR)的改變對網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層也有一定的影響. 面對信道衰落環(huán)境下如何設(shè)計成簇算法，文獻(xiàn)[12]利用網(wǎng)絡(luò)各層松解術(shù)將物理層的信道衰落信息反饋給網(wǎng)絡(luò)層，并指導(dǎo)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂埔?guī)則，其根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的通信衰減梯度建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以此作為簇首選舉的標(biāo)準(zhǔn)，然而其數(shù)據(jù)交互較多，每個節(jié)點(diǎn)計算開銷較大，無形中浪費(fèi)較多能量.

本文在傳統(tǒng)LEACH算法的基礎(chǔ)上，針對環(huán)境變化對網(wǎng)絡(luò)、MAC層和PHY層的影響，提出一種基于跨層設(shè)計的成簇算法LEACH-CL(low energy adaptive clustering hierarchy base on cross layer)，并通過功率補(bǔ)償?shù)姆椒▽ζ溥M(jìn)行抗信道衰落功率控制，使其能夠適應(yīng)采煤工作面的信道衰落特征，節(jié)約能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力.

1 網(wǎng)絡(luò)模型及信道衰落特征

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文以采煤工作面為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，在智慧礦山無人開采的背景下，對井下采煤工作面實(shí)施無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測. 采煤工作面主要有3種工作設(shè)備組成：采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架. 隨著采煤機(jī)對煤層開采不斷推進(jìn)，刮板輸送機(jī)與液壓支架也要朝著采煤機(jī)推進(jìn)的方向跟進(jìn)[13]. 如圖1(a)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)部署于巷道壁、液壓支架、刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)等. 由于煤礦井下不同區(qū)域地理地質(zhì)及空間結(jié)構(gòu)有所不同，如：交通運(yùn)輸巷類似窄長的帶狀空間結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓m宜一種鏈狀結(jié)構(gòu)，簇間采用多跳傳輸；采空區(qū)類似圓形或矩形空間結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際情況采用平面或分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 本文根據(jù)實(shí)際情況，將采煤工作面下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)置為兩層結(jié)構(gòu)，上層為由簇首組成的骨干網(wǎng)，主要用于數(shù)據(jù)的中繼傳輸，下層(底層)為各簇首的成員節(jié)點(diǎn)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制. 從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)最多兩跳，這也滿足傳感節(jié)點(diǎn)在采煤工作面區(qū)域內(nèi)的傳輸要求. 圖1(b)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意.

假設(shè)節(jié)點(diǎn)分布于長為X、寬為Y 的矩形采煤工作面區(qū)域內(nèi)，且系統(tǒng)具有如下性質(zhì)：1)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在初次部署后固定不變，當(dāng)固定在移動設(shè)備上時，可隨設(shè)備移動；2) 基站位于區(qū)域的中心位置，與井下以太環(huán)網(wǎng)相連，且其能量不受限制，具有很強(qiáng)的計算、存儲能力；3) 所有傳感器節(jié)點(diǎn)功率可調(diào)，可以直接與基站通信；4) 傳感器節(jié)點(diǎn)類型同構(gòu)，能量受限，且初始能量相同；5)網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，部署后網(wǎng)絡(luò)不需要人為維護(hù)；6)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置信息可知.

(a) 采煤工作面中網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)分布

(b) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)涫疽?/p>

1.2 環(huán)境因素對信道衰落的影響

不同于地面上無線信號傳輸，煤礦井下無線信號受三方面影響：1) 傳輸媒介即空氣質(zhì)量(主要影響因素為溫度、濕度、粉塵和煙霧等)；2) 空間結(jié)構(gòu)(影響因素為巷道尺寸、巷道壁粗糙度和傾斜度)；3)移動的障礙物[14](影響因素為周圍電氣設(shè)備噪聲、移動的人員和設(shè)備). 文獻(xiàn)[15]闡述了煤巷壁、障礙物對電磁波的影響，采煤工作面的信號衰落模型由路徑損耗和附加損耗組成，采煤工作面無線信道傳輸模型為

Lloss=L0+Lrc+Ltc+Lh+Ls=56.13+20lgd+20lgf+5×10-3d2+9×10-3d+ 4.343π2h2(a-4+b-4)cf-1d+ 4.343π2θ2dfc-1+10lg(Pmn12/dsm2)+Yc.

(1)

式中：L0為自由空間下路徑損耗；Lrc為巷道壁粗糙引起的衰減損耗；Ltc為巷道壁傾斜引起的衰減損耗；Lh為“三機(jī)”金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對電磁波干擾帶來的衰減損耗；Ls為“三機(jī)”設(shè)備的機(jī)械噪聲對無線信號信噪比的影響.

采煤工作面的信道模型可以總結(jié)為路徑損耗模型和陰影衰減模型的疊加，對數(shù)模型下的信號傳輸損耗[16]表示為

式中：Xσ為高斯隨機(jī)變量;Xσ～N(0,σ2);α為路徑損耗指數(shù),α=2～6;σ=1～8dB

一般對數(shù)正態(tài)分布模型下接收功率為

(4)

其中ξ=σ/α，ξ值越大說明信道變化強(qiáng)度越大.

2 跨層成簇協(xié)議

針對信道衰落明顯的應(yīng)用環(huán)境，本文對簇首的選舉作了幾個方面的改進(jìn)：1)為保持網(wǎng)絡(luò)簇首選舉的最佳簇首數(shù)，考慮隨著部分節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，網(wǎng)絡(luò)中真正參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡墓?jié)點(diǎn)數(shù)也在不斷變化，其原來固定不變的最優(yōu)簇首數(shù)K也應(yīng)該隨之改變，K=[k1,k2,k3,…,kr]，kr=c%·Nactive. 2)為保持最佳簇首數(shù)，對用于選舉簇首時與閾值比較的隨機(jī)生成數(shù)作了改進(jìn)，由原來固定變化在[0, 1]，修正為一個自適應(yīng)變化的滑動窗口. 3)對原來的閾值改進(jìn)，一是將原閾值中部署節(jié)點(diǎn)總數(shù)N替換成存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量Nactive，這也是為了更好地保證每輪生成的簇首數(shù)遵循最優(yōu)化，二是增加節(jié)點(diǎn)剩余能量比值因子和信道效率比值因子). 4)在普通節(jié)點(diǎn)選擇自己的簇集加入時，考慮其將數(shù)據(jù)傳送到基站的最終通信損耗，而不是緊考慮距離和能量因素. 因?yàn)樵谛诺浪ヂ涞沫h(huán)境中，相同的距離節(jié)點(diǎn)成功傳輸?shù)攘繑?shù)據(jù)消耗的能量有可能不同，這主要是受到信道衰落環(huán)境的影響. 分簇路由協(xié)議在時間軸上主要分成簇的建立階段和穩(wěn)定傳輸階段，如圖2所示.

圖2 分簇協(xié)議3個階段的時間軸示意

Fig.2 Time axis showing the three phases of clustering protocol

TCF為簇的形成階段即為簇首的選舉和簇集的形成過程、TIC為簇內(nèi)通信階段, 各簇集中的簇首根據(jù)加入的節(jié)點(diǎn)數(shù)目創(chuàng)建TDMA調(diào)度，簇集內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)按照簇首創(chuàng)建的TDMA時隙向簇首傳輸數(shù)據(jù)、TTS簇首將收集來的數(shù)據(jù)向基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)階段、本文參照LEACH中的采用輪循方式通信，一輪通信時間Tr=TCF+TIC+TTS，通常把TCF建立階段，TIC+TTS為穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段.

2.1 簇首選舉策略

定義1 剩余能量比值Ei_curr/Er_max，其中Ei_curr為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量值，Er_max為參與本輪競選簇首節(jié)點(diǎn)中能量最大的節(jié)點(diǎn)能量值.

定義2 信道效率比值Mi_curr/Mr_max，其中Mi_curr為節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前信道效率值，Mr_max為參與本輪競選簇首節(jié)點(diǎn)中信道效率值最高值，

(5)

為了節(jié)省能量消耗，所有節(jié)點(diǎn)在本輪數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后會進(jìn)入一個短暫的休眠狀態(tài)，在下一輪開始時調(diào)整為激活狀態(tài). 每輪傳輸由Sink節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一觸發(fā)開始，初始化分為3個步驟：1)網(wǎng)絡(luò)初始化階段，由基站控制，通過Beacon幀定期向網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個notice廣播消息，喚醒處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)及終止還在傳輸狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，其未傳完的數(shù)據(jù)將在新一輪中繼續(xù)傳輸； 2)網(wǎng)內(nèi)所被喚醒的節(jié)點(diǎn)和未傳完數(shù)據(jù)(即將參與新一輪傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn))，根據(jù)其接受的Beacon幀中發(fā)射功率PT與自身測得的RSSI值計算出通信損耗Li_loss，所有參與下一輪傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)向基站發(fā)送Proberequest探測幀，通過跨層調(diào)度同時攜帶節(jié)點(diǎn)自身能量信息Ei_curr、MAC維護(hù)的變量Crequest及計算所得的Li_loss3個參數(shù)一并發(fā)于基站；3)基站收到Proberequest探測幀后，計算Mr_max、Mr_aver(當(dāng)前輪中所有節(jié)點(diǎn)信道效率的平均值)、Er_max和Er_aver(當(dāng)前輪中所有節(jié)點(diǎn)的能量平均值)，通過跨層調(diào)度以Proberesponse響應(yīng)幀形式，回復(fù)給相應(yīng)節(jié)點(diǎn).

初始化中采用跨層數(shù)據(jù)報告形式，將同時物理層的能量信息、RSSI值和MAC層幀重傳數(shù)通過幀進(jìn)行交互，同時報告給網(wǎng)絡(luò)層，具體如圖3所示.

圖3 跨層共享信息結(jié)構(gòu)示意

Ti(t)=

2.2 簇的形成

未當(dāng)選的簇首的節(jié)點(diǎn)即為普通節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)布的當(dāng)選簇首的公告，來計算其與簇首的之間距離上的通信損耗值，再比較其將數(shù)據(jù)完整傳到基站的總損耗Li-all，Li-all=Li-CH+LCH-S，Li-CH為普通節(jié)點(diǎn)與其候選簇首的通信功率損耗，LCH-S為候選簇首到基站的通信損耗，通過比較選擇Li-all最小的簇首為其最終簇首，并加入該簇首組建的簇集，至此網(wǎng)絡(luò)中簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬?

3 信道能量消耗模型及功率控制

3.1 信道能耗模型

3.2 功率控制

功率應(yīng)該根據(jù)信道的變化和節(jié)點(diǎn)對信噪比的要求而選擇不同，分簇協(xié)議本身將節(jié)點(diǎn)劃分成兩個不同等級，成員節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn). 相對成員節(jié)點(diǎn)，簇首在數(shù)據(jù)通信中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧鼮橹匾? 簇首節(jié)點(diǎn)的功率應(yīng)該在空間復(fù)用度和正確接收概率之間進(jìn)行折中，功率過大雖然保證了空間覆蓋度，但也浪費(fèi)一定能耗，同時也干擾其它簇集通信，功率過小使得報文達(dá)不到QoS正確接收率的要求，進(jìn)而報文重發(fā)，浪費(fèi)帶寬資源和能量. 本節(jié)描述了LEACH-CL協(xié)議下的各個階段節(jié)點(diǎn)傳輸功率機(jī)制，無線信道的波動下對傳輸功率的要求. 通?？梢酝ㄟ^測量獲得接受節(jié)點(diǎn)的接受功率值，傳輸損耗分貝數(shù)為PL=PT-PR，PT、PR分別為發(fā)射功率和接收功率，PR也可根據(jù)節(jié)點(diǎn)元器件物理層的RSSI值求得. 實(shí)際中采用不同的通信設(shè)備及應(yīng)用場景時，所獲得的通信傳輸損耗值也不盡相同. 通過建模分析，PL從邏輯上主要取決于鏈路間距離、天線增益及場景中的附加損耗. 本文假設(shè)信道特征符合高斯正態(tài)分布特性，所有通信損耗如式(2)所示，損耗真值VPL(d)與分貝值之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為10log10VPL=PL.

圖4 傳輸系統(tǒng)框圖

定義3 有效傳輸范圍(transmission range). 在其傳輸范圍內(nèi)滿足QoS條件下的數(shù)據(jù)有效傳輸，其最小傳輸功率為PRmin(即上文中的接收功率門限值Pth).

定義4 節(jié)點(diǎn)的載波偵聽范圍(carriersensingrange). 處在載波偵聽范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)正在通信，但不一定滿足QoS條件下的數(shù)據(jù)傳輸需求，其最小傳輸功率為PSmin，通常PRmin/PSmin>1.

當(dāng)節(jié)點(diǎn)的的接收功率PRPRmin時，節(jié)點(diǎn)可以爭取讀取發(fā)送端傳遞的數(shù)據(jù)，并計算出鏈路間的路徑損耗.

QoS條件一般設(shè)定為pep=10-2，即數(shù)據(jù)包傳輸錯誤率不高于0.01，則有

節(jié)點(diǎn)在不同的階段發(fā)射功率控制機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)初始時基站發(fā)起新一輪數(shù)據(jù)傳輸時的啟動信息數(shù)據(jù)包使用其最大的發(fā)射功率，以滿足網(wǎng)內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)都能夠有收到信息,即

式中Dmax為距離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離，F(xiàn)L為信號衰落儲備，引入FL主要是用來在信道變化時對抗正態(tài)分布下的信道衰落.

其中pout取決于當(dāng)前鏈路的信噪比及其信道衰落分布特征[22]，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段pout=pout_start. 在成簇階段，簇首向周圍廣播當(dāng)選為簇首時發(fā)射功率為PBr=PRmin·VPL·FL，其中pout=pout_br. 在TCF階段接收網(wǎng)絡(luò)初始化數(shù)據(jù)包和簇首廣播信息數(shù)據(jù)包的功率，PRCF=PRmin+10log10FL-Xσ. 在每一輪通信中我們采用同一通信頻段，根據(jù)節(jié)點(diǎn)部署的區(qū)域及其部署密度來看，簇首與其成員節(jié)點(diǎn)間的距離相比較簇首與基站間的距離要小得多，故而簇首與其成員節(jié)點(diǎn)多為可視距通信，其通信損耗變化不大. 這里在TIC階段簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)送功率設(shè)定為PTIC=PRmin·VPL.

在TTS階段，所有與基站直接通信的簇首節(jié)點(diǎn)(包括沒有加入簇集而直接與基站通信的節(jié)點(diǎn))，如果成功計算出路徑損耗真值，則其發(fā)射功率可由公式PT_TS=PRmin·VPL計算出，否則其發(fā)送功率設(shè)定為式(7)，其中pout=pout_ts.

4 性能分析

4.1 消息復(fù)雜度

LEACH-CL協(xié)議消息復(fù)雜度為O(N). 網(wǎng)絡(luò)初始階段一個Beacon廣播消息，Nactive個Proberequest探測包，Nactive個Proberesponse響應(yīng)包. 成簇階段，簇首生成率為c%，所以共有c%·Nactive個簇首向周圍節(jié)點(diǎn)廣播c%·Nactive條消息，而有(1-c%)·Nactive個非簇首節(jié)點(diǎn)廣播申請加入簇集消息，由于采用簇間單跳通信方式，各個簇首直接與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以網(wǎng)絡(luò)中總的消息開銷為

1+2Nactive+c%·Nactive+(1-c%)·Nactive+1=

2+3Nactive.

所以LEACH-CL算法消息復(fù)雜度為O(N). 證畢.4.2 每輪簇首生成數(shù)

定理1 每輪產(chǎn)生的簇首數(shù)為最佳簇首數(shù)kr，kr=c%·Nactive.

(9)

令

(11)

(12)

所以在本文的算法中，每一輪產(chǎn)生的簇首數(shù)期望值為kr.

5 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證LEACH-CL算法的性能，本文在NS2平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對它們的性能與同類算法比較，采煤工作面下的信道衰落主要由式(2)的參數(shù)α和σ決定，將信道模型選擇室內(nèi)的Shadowing模型，且α和σ假設(shè)參照文獻(xiàn)[23]. 通信頻率為2.4GHz,α=2.0～6.0,σ=1～8dB,ηamp=0.8,傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量為5.0J，Rb=54Mbit/s，W=1 030kHz；此外，PAPP_T=0.003 63J/s,PAPP_R=0.011 13J/s,PAPP_S=0.005 56J/s；最小接受功率為5.92pW,感知功率為3.4pW;pout_br=0.12, pout_start=0.01, pout_ts=0.05.

5.1 參數(shù)β的選取

β參數(shù)為LEACH-CL簇首選舉策略中引入兩個參考因子的權(quán)重系數(shù)，它決定了剩余能量比值因子和信道效率因子在閾值中所占的比重，通過對它們在[0，1]之間以0.05個單位為間隔取值，以網(wǎng)絡(luò)首個節(jié)點(diǎn)死亡時間為判斷標(biāo)準(zhǔn)，獲得21組數(shù)據(jù)通過曲線擬合繪制出圖5中實(shí)線，發(fā)現(xiàn)β在0.5與0.6之間時網(wǎng)絡(luò)生命期最大. 針對β在[0，1]時的不同取值，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包平均接受率為判斷標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)β在0.8和[0.5, 0.6]時出現(xiàn)拐點(diǎn)，這說明此兩處的取值對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接受率起到重要作用. 綜合考慮，參數(shù)最終設(shè)定為0.55時較為理想.

圖5 網(wǎng)絡(luò)存活時間和包接收率隨β變化的趨勢

5.2 簇首生成數(shù)量特征

針對簇首的生成情況，仿真實(shí)驗(yàn)選取120個分布節(jié)點(diǎn)，在首個節(jié)點(diǎn)死亡前，抽取100輪數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計. 圖6給出4種協(xié)議下簇首生成數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)LEACH算法，簇首生成數(shù)目非常分散，波動較大.ALEACH算法引入剩余能量作為參考，一定程度上好與LEACH算法，但相比較LEACH-SWDN和LEACH-CL還是比較分散，這是因?yàn)長EACH和ALEACH都是采用隨機(jī)生成數(shù)與閾值比較生成簇首，而LEACH-SWDN和LEACH-CL算法中對生成簇首的期望值進(jìn)行了設(shè)計，所以LEACH-SWDN和LEACH-CL生成簇首數(shù)相對集中，50%以上都集中在期望值6上.

圖6 生成簇首數(shù)的統(tǒng)計比較

Fig.6 Comparison for the statistics of the number of CHs formed

5.3 網(wǎng)絡(luò)生命期對比

圖7為網(wǎng)絡(luò)的生命周期比較圖，不難發(fā)現(xiàn)，LEACH-CL效果最優(yōu)，無論是在首個節(jié)點(diǎn)死亡時間，還是首個節(jié)點(diǎn)死亡后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)死亡的時間斜率上，LEACH-CL協(xié)議都要好與其他3個協(xié)議. 在網(wǎng)絡(luò)生命期上，因?yàn)锳LEACH協(xié)議引入能量因子使得其網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)于LEACH協(xié)議，而LEACH-SWDN在前兩種協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計穩(wěn)定的簇首生成期望值，使得每輪時間之間網(wǎng)絡(luò)能耗相對均衡，但是根據(jù)最佳數(shù)簇首數(shù)的原理，在網(wǎng)內(nèi)首個節(jié)點(diǎn)死亡后，LEACH-SWDN協(xié)議并沒有跟隨存活節(jié)點(diǎn)總數(shù)的變化而變化，其固定其簇首數(shù)不再遵循最佳數(shù)簇首數(shù)的原理. LEACH-CL協(xié)議一方面從最佳簇首數(shù)遵循網(wǎng)內(nèi)存活節(jié)點(diǎn)的變化，另一方面在簇首選擇時采用最佳信道和能量作為參考因子使得能量較高和信道較好的節(jié)點(diǎn)成為簇首. 能量因子起到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗均衡，避免能量“空洞”現(xiàn)象，而信道效率因子使得擔(dān)任重要較色的簇首節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，避免因信號不穩(wěn)定而出現(xiàn)重傳和提高發(fā)射功率，減少非正常數(shù)據(jù)傳輸造成的能量消耗.

圖7 網(wǎng)絡(luò)生命期對比

5.4 信道衰落對網(wǎng)絡(luò)的影響

圖8給出不同路徑損耗指數(shù)下的四種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)首個節(jié)點(diǎn)死亡情況，從4條曲線的線性變化來看LEACH-CL協(xié)議明顯優(yōu)于其他3種，尤其是隨著路徑損耗指數(shù)的增長，其優(yōu)越性更好的體現(xiàn)出來，這正是LEACH-CL協(xié)議中將通信損耗作為簇首選舉和成員節(jié)點(diǎn)選擇簇集時的參考依據(jù)的優(yōu)勢體現(xiàn).

圖8 不同衰減指數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)首個節(jié)點(diǎn)死亡情況

LEACH-SWDN協(xié)議最大的貢獻(xiàn)是穩(wěn)定了網(wǎng)絡(luò)簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)，一定程度上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其丟包情況也有所緩解. 從圖9中可以看出，LEACH-CL協(xié)議中信道效率因子的引入，改變了僅從穩(wěn)定簇首生成數(shù)對丟包率的影響. 在穩(wěn)定簇首生成數(shù)的基礎(chǔ)上，對簇首節(jié)點(diǎn)底層信道狀況也有所考慮，這受益于跨層設(shè)計技術(shù)將物理層和MAC層的相關(guān)信息提供給網(wǎng)絡(luò)層，使得改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)送達(dá)率的提高有所促進(jìn).

圖9 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的丟包率情況

6 結(jié) 論

1)針對井下采煤工作面的信道衰落的時變特征，應(yīng)用跨層設(shè)計的思想，從物理層和MAC層選取能夠集中體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道變化特征的信息，通過管理控制幀的交互，在網(wǎng)絡(luò)成簇算法的指導(dǎo)下設(shè)計一種抗信道衰落的成簇協(xié)議.

2)通過功率補(bǔ)償使得CMFM-WSN系統(tǒng)更加適應(yīng)采煤工作面這一特殊應(yīng)用場景. LEACH-CL協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^穩(wěn)定，適應(yīng)井下環(huán)境的復(fù)雜多變特征，在延長網(wǎng)絡(luò)生命，提高數(shù)據(jù)傳輸率上具有顯著的效果. CMFM-WSN系統(tǒng)的研究中網(wǎng)絡(luò)性能受到上下各層的影響，跨層技術(shù)的應(yīng)用也比較廣泛，但其各層間的約束關(guān)系也不容忽視，為了更加有效的保障CMFM-WSN系統(tǒng)的可靠性，可在信道衰落環(huán)境下的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)一步研究，為實(shí)現(xiàn)采煤工作面的無人開采提供技術(shù)支持.

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Power-efficient clustering protocol for coal mining face monitoring with wireless sensor networks under channel fading

QIAN Jiansheng，REN Peng，F(xiàn)ENG Xiaolong

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

Aiming at the time-varying fading characteristics of radio waves in coal mining face, a clustering protocol based on cross-layer is proposed. Number of active sensor nodes is recorded initially and sliding window is set up to keep optimal number of stable cluster heads in each round. The channel efficiency between nodes and base stations is calculated by probe frame, and surplus energy information is combined as a selection criterion of cluster head, to design a clustering protocol adapting to wireless signal time-varying fading. In addition, the sending power in different phases of the nodes is regulated by certain fade margin method. Simulation experiments show that compared with other three similar algorithms (LEACH, ALEACH and LEACH-SWDN), LEACH-CL protocol features stable network topology and strong adaptability under signal fading, thus effectively prolonging the network lifetime and reducing the network packet loss rate, hence it is more suitable for complex and changeable coal mining face.

WSN; clustering; channel efficiency; anti-fading; cross layer design