一种无线多媒体传感器网络自组织协议矿的研究

1、摘要-发生后，的电力和通信系统被严重破坏，给救灾工作造成了很大的。因此设计出一种适用于的自组织很有使用价值。本文为矿井营救提出了一种无线多传感器自组织协议。为了快速一种自适应分级结构，使用油墨作为一个顶层节点，该协议可以分为三个阶段 ：骨干网的快速建立，一些集群自组织，自适应调整阶段。结果表明，该协议能够快速建立一个在延长和节点能量平衡上性能良好自组织。（摘要）-无线多传感器；自组织；矿井营救（） 矿井灾害对矿山具有性的破坏，矿工的生命严重威胁。通常，事故发生后，井下供电系统的破坏，系统，调度系统与其他通信系统瘫痪，导致地面救援中心已经无法获得情况为救援工作增加巨大。通过自组织机制，微型传感器

2、节点可以一种无线传感器（无线传感器，简称 WSN） 1 。这些节点通常有感知，处理和无线通信能力，并且不依赖于一个固定的通信基础设施。通过分布式协议和算法他们可以协调的和组织 2,3 。在具体应用中，精心设计的无线传他们的行为来建立感器节点通过多跳中继机制和中心采用或临时建立的链路建立通信传输数据到汇聚节点。然而，整个通常有一个严格的中心。 无线多（简称为 WMSN） 是一种特殊的无线传感器，其拥有一组具有计算和通信能力的多传感器节点。通过对节点的传感器，它收集周围环境的多信息（音频，图像，等等）并将监测数据通过多跳WMSN 特别适用于井下通信系统的灾后重建。当矿井灾害发生时，救援携带一定数量

3、的节点到灾区，将无线节点放置在巷道的，随着他们的前进把无线节点沿着巷道放置。多节点一般安装在矿灯附近。的信息传送到地面指挥中心虽然 WMSN 使救援工作更加有效。 通信系统在矿井救灾的情况下是非常不利的，巷道窄长。然而，几乎所有现有的无线传感器自组织通信协议设计适用于一般的应用场景，使得煤矿的应用实际需求超过所考虑得。因此，的应用程序的无线传感器技术的自组织的煤矿有实用价值。首先，本文了模型被使用，然后进行了能耗分析。第三煤矿提出了合适的传感器自组织通信协议。最后，绩效评价 。2.模型本协议的传感器模型：1）所有这些节点具有相同的初始能量，平等的地位，同样的计算能力和力。能反射继电器机制到汇聚

4、节点，从而实现全面和有效的环境监测5,6 。一种无线多传感器自组织协议矿的研究2）根据距离，节点的传输功率可调。、3）每个节点其的 ID 号码。4）每个链路是对称的。如果传输功率是互相已知的，节点可以根据接收到的信号强度 RSSI 计算出从方到接收方近似的距离。5）所有节点具有最小的能量阈值。低于该阈值，该节点不可以再作为簇头节点。6）所有的节点被放置在巷道一侧，可近似为线性3.能耗分析和能量放大。的能源消耗则仅用于无线电通信。根据器和之间的距离，应用了两个模型，分别是自由空间模型和多径信道模型。如果两个节点之间的距离小于 d0时，我们使用第一个模型。否则，我们使用后一个模型。因此，通过l 比

5、特分组到一节点在距离 d 的消耗的能量：ETX(l,d) =ETX_elec(l)+ETX_amp(l,d)=lEelec+l fsd2 d<d0 lEelec+l mpd 4d>d0 注：Eelec-_消耗的电路用于接收和传输每比特数据的能量；FS 和 MP 消耗的放大器的能量；通过接收该数据包所消耗的能量是：ERX（L）= etx_elec（L）= leelec 。四、协议设计该协议分三部分解决无线传感器一些集群自组织，自适应调整阶段。自组织的问题：骨干网的快速建立，A.骨干迅速建立阶段矿山灾害救援工作的无线传感器是一种链型，排列在长隧道，有大量的节点。因此，它需要一个更快的收

6、敛的骨干的形成。TopDisc（拓扑发现算法）算法 11 ，基于最小支配集问题是一类经典算法和早期有代表性的聚该协议使用的能耗模型在文献 7 。者的能量消耗是用于无线电通信。类算法。通过使用颜色来区分节点的状态，它可以解决骨干拓扑快速建立的问题，使节点快速形成一个密集的传感器分簇结构和簇头建立树的关系。TopDisc 算法提出了两种特殊的节点状态标记方法三色算法和四色的算法。然而，用 TopDisc 算法建立的分层的灵活性不强，并且重复这一算法的成本过于昂贵。此外，该算法没有深入考虑节点剩余能量。本文利用了 TopDisc算法的快速聚类能力，适用于 WMSN救援工作。的能量消耗看：如果两个节点

7、的通信半径小于 d0，它可可以根据分析以大大节省通信能量消耗。无线多传感器需要传输大量的数据，因此，的节点之间的距离小于 d0的，它可以大大提高数据传输效率。骨如果骨干干的节点之间的最大距离为 d0 / 3。具体算法如下：（1）无线多通信系统的汇聚节点标志着其水平为1，的状态为黑色（所有节点的初始状态为：level= 0；state=white；黑色节点为骨干节点）。它开始信息-FIND_NEIGHBOR_REQUEST，来发现相邻节点。该消息包含者的以下信息：ID 号码，水平，radius-d0 / 3。这里可以定义为：typedefstruct fathere，fatherLevel，ra

8、diusFIND_NEIGHBOR_REQUEST。（2）在父节点附近半径为 d0/3的所有节点可以接收 FIND_NEIGHBOR_REQ消息。如果黑色和灰色节点收到来自节点（黑色节点）的信息，该消息将被忽略。如果白节点收到来自节点（黑节点）的消息，它会等待直到它变成灰色，然后响应信息-FIND_NEIBHBOR_RESPONSE。等待时间的长度与节点和节点之间的距离是成反比的。所有的黑色节点附近的节点变成灰色。在父节点附近半径为 d0 / 3的灰色节点首先相应信息，包括节点的ID 和黑色节点的 ID，接着节点的状态变成深灰色。这里可以定义为：Typedefstruct ID，fathere

9、dFIND_NEIBHBOR_RESPONSE。（3）在接收到暗灰色节点的响应消息时：灰色节点不响应消息；白色的节点任 何 消 息 ； 只 有 黑 色 的 节 点 将确 认 消 息FIND_NEIBHBOR_CONFORM，包括暗灰色的节点的 ID 和它的水平。typedefstructchildid， childlevel， fathered， fatherlevelFIND_NEIBHBOR_CONFORM。（4）在接收到来自黑色节点的确认消息后，暗灰色的节点将保存确认的消息并消息 FIND_NEIBHBOR_REQUEST。重复（1），（2）变为黑色，它将开始（3）。图1显示了实现算法后

10、的局部拓扑结构。B.自组织聚类阶段骨干节点建立后，下一个阶段是对骨干节点的聚类阶段。以下是一些原则：（1）为了延长 WMSN 的，集群之间的能量必须是平衡的，因此每个集群具有相同数量的节点。（2）邻近原则：将离骨干节点最近的节点加入集群的骨干节点。（3）如果一个节点到两个骨干节点有相同的距离，这在其簇集里相同数量的节点，节点将加入与一个次聚类。因为更次的集群接近进行救援的多节点，它会消耗的能量。具体的聚类算法如下：（1）骨干节点请求消息给一个半径为 d0 / 6集群。该消息包括骨干节点的ID，level 和当前节点数。typedef struct clustered，clusterlevel，

11、nodecount CLUSTER_REQUEST。所有的灰色节点，可以收到消息。一个距离为 d0 / 6的骨干节点，（2）接收 CLUSTER_REQUEST 信息的节点将等待一段时间，其等待时间和骨干节点之间的距离成正比，并响应的聚类信息。如果这个节点只收到一个来自于骨干节点聚类请求，这意味着附近只有一个骨干节点。在等待时间之后，一个聚类的响应消息，其中包括标识该节点的 ID,骨干节点的 ID 和水它将平。typedef struct nodeID，clustered，clusterLevel CLUSTER_RESPONSE。如果它收到一个以上的骨干节点的聚类请求，它将确定哪些骨干节点的

12、集群应按上述三个原则 被添加，然后在 等待时间 过后 响 应 消 息CLUSTER_RESPONSE。（3)一旦接收到来自节点的一个 CLUSTER_RESPONSE 信息，骨干节点会添加一个子节点到其子节点群众，并保存子节点的 ID 和它们之间的距离。同时，的确认消息，其中包括其 ID，骨干在群集节点的级别和成员的数目。将typedefstructnodeID ， clusterID ， clusterLevel， nodeCountCLUSTER_CONFORM 符合。重复（2）（3）。在接收的聚类请求后节点可以添加到相应的骨干节点的群集。图2显示的本地的拓扑结构。C.自适应调整阶段由于簇

13、头节点的数据传输任务量大，其比集群中的其他节点消耗的能量。如果簇头节点的能量低于阈值，WMSN 需要自适应调整高其灵活性，尽可能地在框架内进行调整。具体算法如下：结构。为了提（1）作为关于这个集群所有节点的信息的骨干节点，低于阈值的骨干节点可以随机选择一个子节点作为新的簇头节点，并一个新的簇头节点产生的请求消息。该消息包括新的簇头节点的 ID 和此群集的水平。typedef struct newClusterID,oldClusterId，custerLevel ADJUST_CLUSTER_REQUEST。（2）收到此消息后，新的簇头节点将一封确认邮件 ADJUST_CLUSTER_RESP

14、ONSE ， 集群中的所有节点将改变其簇头节点。 Typedef structnewclusterId ， oldclusterId ， clusterlevelaADJUST_CLUSTER_RESPONSE。（3）接收消息 ADJUST_CLUSTER_ _RESPONSE 反应后，低于阈值的簇头节点，将集群中的会员信息到新的簇头节点。（4）新的簇头节点将一封确认邮件 ADJUST_CLUSTER_ CONFIRM径为 d0的上、下层的簇头。该消息包括新的簇头节点的 ID 和水 ADJUST_CLUSTER_ CONFIRM信息后，在集群中上部和下部的簇头节点和节点会改变他们的簇头信息和调

15、整到簇头节点之间的通信半径。图3显示了局部调整拓扑结构。五、性能评价我们进行了计算机模拟来评估我们的协议的性能。中，我们描述了性能指标，环境和结果。A.性能指标为了比较我们的协议与传统的协议的性能，其性能指标中我们感的是a）一个的生命周期（T），b）节点存活数（N）c）在中的总能量消耗（E）。平。typedefstruct确认。收到确认newclusterid，clusterlevel到其半B.环境的模型包含在一个恒定的链型区域内随机放置的节点。让 S表示长度，N 表示在长度为 L 链型区域内，一个中的节点的总数。我们假设有 n 个节点分布在一个放置位于的中心。水槽的协调位于的开始端.例如，如

16、果有一个长度为100的，水槽的协调是位于0。在无线局域网环境下进行模拟。数据率为11Mbps，和每个节点的传输范围是15米。此外， 信标间隔设置为100毫秒，ATIM 窗口问200毫秒，我们假设每个节点有2000位的数据包和160位的数据包，每个节点的能量和阈值分别被分配为0.5 J 和0.5。我们还认为，如果一个节点，不充电，或更换新电池。在无线传感器中，节点的能量主要在和接收模式时消耗。为了测量节点的能量消耗，我们使用了无线电模型 7 。在这个模型中，节点的和电路是的。发射机电路包括发射电子和电子放大器，接收耗散的能量，EA机电包括接收电子。让 Ee 是电子器和是传输放大器耗散的能量。我们

17、认为，Ee = 50nJ/bit 和 EA = 1000 pJ /bit/ M4。我们还根据源和目的地之间的距离假设能量损失的发生。因此，传递能量，Et（k， d），和接收能量，Er（K），消散送一 k 比特的数据包到距离 d 的目的地的，如下：、Et（k，d）= Eek+ Eakd2（1）Er（k）= Eek（2）C.结果利用得到的一些结果，比较我们的协议，MTE 和聚类协议。在中，根据 S，N 通过水槽超过被保持的，我们取得了一些成绩，即 T，N 和 E。我们的第一个实验中对的不同直径。我们衡量我们的协议的，MTE 和聚类协议。结果在图4。在这次模拟中，在中有一个水槽和200节点。在这个图

18、中，我们可以看到，我们的协议执行的所有参数的范围比其他协议更好。我们的协议的几乎不变，甚至比分簇协议和 MTE 协议更长。是每个群集有几乎同等数量的节点，每个集群消散几乎相等的能量一个的集群。数据到下图5显示了根据在中的节点的数目的生命周期。在这个模拟中，我们使用的有800米长。对于所有的情况下，我们可以清楚地看到，随着 n 的增加，所有协议的 T 相应增加。特别是，我们的协议与其他协议相比实现了2或4次延长。5图6显示各种时间节点存活数 t。在这个模拟中，200个节点以线性拓扑的方式被部署在800米的链型环境。在这个图中，我们看到的节点使用的 MTE 协议比其他协议其他协议 类似上述的的更早

19、。将数据到水槽，在 MTE 协议的节点的数目需要比。因此，由于中间节点消耗他们的精力，节点则的更快。，在聚类的协议，在每个簇头节点比其他节点更快。在我们的协议中，因为每个簇间通信能量消耗几乎是相等的，所以在定期的间隔内几乎相同数量的节点消失。图7显示 N = 200时中的总能量消耗 S 的不同的值。在这个图中，我耗散。如果小于是 s<100m，MTE 协议对比们看到的所有协议相应的其他协议将增加不同的模式。虽然节点和之间的距离是接近的，他们使用最佳的路径数据到。因此，随着跳数的增加，路径上消耗能量的节点将增加。相反，如果规模小，我们的协议直接向数据。此外，如果规模的增们的协议为所有节点建

20、立最优路径，从而提高能源效率。六、结论在本文中，我们提出了一个新的自组织协议来有效维持传感器用于井下救援无线传感器中的能量。我们的协议的基本思想是建立每个命定水槽节点的最佳集群，和平衡无线传感器中的所有簇的能量。为了实现我们的协议，每个集群具有几乎相等的节点，与其自身的水平集群和之间的距离有关。每个群集只有一个工作节点，该工作节点在水槽中的数据每次必定是相同的，集群中的另一个节点正在睡觉，但可以唤醒的工作节点。因此，我们能够不断维持节点的最优路径并减少节点。此外，我们可以延长的生命周期来维持节点的能量平衡，而不考虑节点和之间的距离。使用模拟，我们在方面评估结果表明，我了我们协议的性能，活着的节点数量和在中的能量消耗。们的协议在各种参数的范围内优于传统协议。感谢作者感谢中国自然科学基金（编号：60972059），中国矿业大学（第2008