一种改进的井下无线传感器网络广播算法.pdf

第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 6年 1 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 2 De c ． 2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 0 0 4 2 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 0 9 谢洪 ， 刘振超 ， 王大溪． 一种改进的井下无线传感器网络广播算法E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 4 2 4 5 ． 一 种改进的井下无线传感器网络广播算法 谢 洪 ， 刘振超 ， 王 大溪。 1 ． 柳州铁道职业技术学院 信息技术学院，广西 柳州 5 4 5 6 1 6 ； 2 ． 广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 5 4 5 0 0 6 摘要 针对现有的井下无线传感器网络广播算法能耗较 高的问题 ， 提 出了一种改进 的无线传感器网络前 向广播算法。该算法中， 转发节点可根据 自身位置， 选择优先节点转发信 息， 大大减少了无线传感器 网络 中 需要 转发 的 冗余信 息量 ， 从 而降低 了网络 能耗 。仿 真 结果表 明 ， 该 算 法在 网络 节点 密度 达到 一 定值 时 ， 满足 网络接收率要 求， 且能够限制转发的信息总量， 有效降低 了无线传感器网络能耗 。 关键 词 井 下无线 传感 器 网络 ；广播 算法 ；前 向广播 ；洪泛 广播 ；能耗 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 1 2 0 1 1 0 2 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 2 9 ． 0 0 9 ． h t ml An i mp r o v e d b r o a dc a s t i ng a l g o r i t hm f o r u nd e r g r o u nd wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k XI E H o ng ，LI U Zh e nc ha o ， W ANG Da xi 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n Te c h n o l o g y ，Li u z h o u Ra i l wa y Vo c a t i o n a l Te c h n i c a l C o l l e g e Li u z h o u 5 4 5 6 1 6 ，Ch i n a ；2． Co l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g， Gu a n g x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Li u z h o u 5 4 5 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Fo r p r o b l e m o f h i g h e n e r g y c o n s u mp t i o n o f e x i s t i n g b r o a d c a s t i n g a l g o r i t h m f o r u n d e r g r o u n d wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k ， a n i mp r o v e d f o r wa r d b r o a d c a s t i n g a l g o r i t h m o f wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k wa s p r op o s e d．I n t he a l g or i t hm ， f or wa r di n g n od e s s e l e c t pr i o r i t i z e d n od e t o f or wa r d i n f o r m a t i on a c c o r di n g t o t he i r own po s i t i o ns ，S O a s t o de c r e a s e r e d un da nt f o r wa r d i ng i nf or ma t i o n a nd r e d uc e e n e r gy c on s u m p t i o n o f t he n e t wor k． The s i m u l a t i on r e s u l t s s ho w t ha t whe n ne t wo r k no de d e n s i t y a c hi e v e c e r t a i n v a l ue ， t he a l g or i t hm c a n s a t i s f y ne t wo r k r e c e i v i ng r a t e r e qu i r e me n t ，a n d l i mi t t ot a l f or wa r d i n g i nf o r ma t i o n，S O a s t o r e d u c e e n e r g y c o n s u mp t i o n o f wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r ds und e r g r ou nd wi r e l e s s s e ns o r ne t wo r k； br o a d c a s t i ng a l g o r i t h m ； f or wa r d br o a d c a s t i ng； f l o o di n g br o a d c a s t i n g；e ne r gy c o ns u mpt i on 0 引 言 为 了加强煤炭开采技术的管理 ， 无线传感器 网 络 Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k ， WS N 逐步应用 于井 下环境监测 、 人员管理 和设 备管理 中。WS N 一般 由固定位置的锚节点和可移动位置的传感器节点组 成 ， 通过 自组织方式构成 网络。传感器节点将采集 的数据通过多跳方式传送 至锚节点 ， 并通过有线 网 络将数据传送到监控设备E l - Z ] 。 广播是 WS N 的一种基本通信方式 。监控 中心 需要获取某一 目标传感器节点的数据或 向传感器节 点发送命令时 ， 通过锚节点 向周围的传感器节点广 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 1 2 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 0 2 8 ； 责任编辑 李明。 基 金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B AF 1 2 B 1 8 ； 广西科技 开发计划资助项 目 桂科攻1 3 4 8 0 1 4 2 。 作者简介 谢洪 1 9 6 7 一 ， 男 ， 广西平南人 ， 副教授 ， 主要研究方 向为计算机通信技术及 软件 开发 ， E - ma i l l z c 1 6 5 8 1 2 6 ． c o m。 2 0 1 6年第 1 2期 谢 洪等 一种改进 的井下无线传感器网络广播 算法 4 3 播信息 ， 传感器节点接收到信息后转发 给其相邻节 点 ， 直至下一个锚节点或 目标传感器节点。该过程 将覆盖整个网络 。目标传感器节点根据监控 中心命 令 ， 做出相应 的命令操作或回传数据。 洪泛广播算法实现较简单 ， 但转发的信 息量较 大 ， 导致能耗较大 ] 。参考文献E 4 3 提出了基于预测 的数据 收集 广 播 算 法 S i d e wi n d e r 一 0 ． 7算 法 ， 该 算法广播时仍需要转发大量数据 ， 能耗 改善状况有 限。参考文献E 5 3 提 出了一种基于密度 和距离 的概 率广播算法ND DP算法 ， 可对转发 的节点数量 进行有效控制 ， 与洪 泛广播算法相 比， 节 能效果较 好 ， 但不能保证让位置最好的节点转发信息 ， 广播 的 实际效率受到影响 ， 且不适用于井下。 本文针对矿井结构特点 ， 提出一种适用于井下 WS N 的改进广播算法 ， 能有效提高广播效率 ， 降低 广 播 能耗 。 1井下 WS N模 型 井下巷道狭 长 ， 环境 复杂 ， 不 利于无线 信号传 输 。用于环境监测 的井下 WS N节点一般 由人工布 置 ， 而用于人员和设备 管理 的节点则 具有移动性 。 井下 WS N 节 点 分 布 呈 线 性 梯 状 结 构 ， 如 图 1 所示 。 图 1井下 WS N结构 井下 WS N结构特点 锚节点处于监测区域的 某个端点 ， 传感器节点或下一个锚节 点的位置基本 是前向分布的。基于该结构 ， 在广播信息时， 信息只 需 向前转发 ， 即可有效保证广播 的效率 ， 减少能耗。 因此 ， 矿井 WS N 采 用前 向广播 算 法 转发 信 息较 合适 。 2并下 WS N广 播算 法 2 ． 1 前 向广播 算 法 前向广播的基本特点是只向原始锚节点更远的 半 圆区域发送信息 。如图 2所示 ， 传感器节点 s t 接收到传感器节点 s r 发送的信息后 ， 根据锚节点和 节点 S r 的位置来判断 自身是否处于前 向区域 ， 从而 决定是否转发接收到的信息。 ⋯ 传感器 节点 S t 图 2 前 向广播示 意 为了便于转发信息 ， 转发信息格式定义见表 1 。 表 1 转发信 息格式 符号 信息描述 An c h o r - S N Sr I D S t - I D S t Po s Co n t e x t 锚节点信息序列标记 上一节点标记 当前节点标记 当前节点坐标 信息 内容 前 向广播算法步骤如下。 1 由锚 节点产 生一个表 1所示 格式 的信 息 包 ， 并 将 S r I D 的信 息 清零 。 2 节点 S t 收到信息包后 ， 先判断是否是重复 接收的信息， 如果重复则丢弃 ， 否则转入步骤 3 。 3 判断是否是锚节点信息 ， 如果是则将本节 点标 记信 息填 入 S r I D 后转 发信 息 ， 否则 转 入步 骤 4 。 4 根据 S r - I D 的信息和锚节点位 置信息 ， 判 断本节点是否处于前 向区域 ， 如果是则转发信息 ， 否 则丢弃 。 2 ． 2 改进 的前 向 广播 算 法 前 向广播算法保证了信息往有效 的方向传输 ， 但 如果 前 向转发 区域 内有 多个 节 点 ， 如 图 3所 示 的 节点 B 一节点 E等 ， 当接收到节点 A发送来 的信息 时 ， 若节点 B 一节点 E都转发 ， 则会增大无线干扰及 能耗 。将节点 A 与任一节点 的信息传递用一 向量 来表示 ， 该向量在锚节点与节点 A连线上的分量决 定了传递效率大小 ， 即该方 向上分量越大 ， 传递效率 越高。图 3中， 节点 B信息传 递效率最低 ， 节点 D 信息传递效率最高。 4 4 工 矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 ⋯ 巷道 匿 蠢 蔓 薷 舞强 曼 篓糍攀 橐 嚼 薹 薹 i i i i ； i 取 i ， 图 3井 下 W S N节 点 前 向 广 播 爪 意 图 4为某 一 节 点 X 与 WS N 节 点 A 的位 置 示 意 。设 d为节点 A 与 节点 X 的距 离 ， 为节 点 A 与 节 点 X所 在 直 线 I 及 锚 节 点 与 节 点 A 所 在 直 线 L 。 的夹 角 ， K 为节 点 X 在 直 线 I 上 的投 影 点 ， A 为节点 A 与 点 K 的距 离 ，r为 节 点 A 的无 线 信 号 发 射距 离 。 ； 锚 节 点＼ 薹 臻H 誊雕粥 雏燕 ； 鼎 糍 臻 ， 嚣 “ 蛸 i 鍪蓄 图 4 WS N节点位置示意 令 节 点 A、 节 点 X 的 坐 标 分 别 为 ， Y ， a t x ， Y x ， 则有 开始 一 I T 卤 网I d一 ／ x A x Y A 1 一 { a r c t a n Y x --一 Y l 2 l A K d C O S 0 3 当 d越 大 、 越 小 时 ， z x 越 大 ， 向前 传 递信 息 的 效 率越 高 ， 所 以取 z 最 大 的节 点 为有效 转发 节点 。 为了控制转发效率， 引入转发等待时间 r f I 一 1 T 4 式 中 T 为设 定 的最大 延时 时间 。 当某 一 节点 向前 转发 信 息 时 ， 在前 向 区域 内 的 每个节 点都 接 收信息 ， 并 计 算 自身 转 发等 待 时 间 r 。 z 最 大 的 节 点 ， 其 r最 小 ， 因 此 其 将 获 得 最 优 转 发权 。 图 3中 ， 节 点 D获 得最 优 转 发权 。在转 发 信 息 前 ， 节 点 D将节 点 A 发送 的信息 中 的 S r I D项 内容 替换 为 S t I D项 内容 ， 并 将 自身节 点 标记 写 入 s t I D 项 ， 将 自身节 点 坐 标 写 入 S t P o s 项 ， 在 其 他 节 点 转 发之 前 广播 。节点 B 、 节 点 C、 节点 E在等 待 时 间 内 收 到节 点 D转 发 的信 息 ， 并 判断 出是 节点 D转发 节 点 A 的信息 ， 从而放弃转发。改进的前 向广播算法 流 程如 图 5所示 。 I 计算转发等待时间I l 并启动定时器l F一 i 二 填入自身信息并广播 辫琴 点 的 信 息 ／ ＼／ l Y t c h o r - S N 要转发信息阿＼ N 相 同n ／／ Y 停止计 时 3改进 的前 向广播 算法 仿真 图 5 改进 的前向广播算法流程 3 ． 1 仿 真设 置 在 Wi n d o ws 7 环 境下 ， 以 Ma t l a b 2 0 1 0为仿 真平 台进 行仿 真分 析 ， 验证 改进 的前 向广 播 算法 的性 能 和效 果 ， 并 与 洪泛 广 播 算 法、 参 考 文献 [ 4 ]中 的 S i d e wi n d e r 一 0 ． 7算法 、 参考文献E s ] 中的 NDD P算 法进行 比较 。仿 真设 置 模 拟 1 0 I T I 5 0 0 m 的井 下 巷道 区域 ， 在 纵 向巷 道 内每 隔 1 5 m 放 置 1个 锚 节 点 ， 共 设 置 5 0 2 5 0个 随机 分 布 的传 感 器 节 点。 2 0 1 6年第 1 2期 谢洪等 一种改进的井下无线传感器网络广播算法 4 5． 图 6 为设置 1 0 0个传感器节点 时 WS N节 点分布。 进 行仿 真 时 ， 锚节 点位 置 固定 ， 每 次 增 加 5 0个 传 感 器节点 ， 节点通信半径为 2 5 1 T I 。 l O 8 g 6 恫 捌 4 桷 2 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 巷道长度／ m 口一锚节 点 x一传感器节 点 图 6 设置 1 0 0个传感器节点 时 WS N节点分布 3 ． 2 仿 真与分 析 3 ． 2 ． 1 传感器节点数对网络接收率的影响 网络接收率是 网络 中信息包 的接收比例 ， 其值 越大 ， 表示广播效果越好 ， 广播范围越大。在传感器 节点数不同的情况下 ， 采用改进的前 向广播算法 、 洪 泛算 法、 S i d e wi n d e r 一0 ． 7算 法 和 ND D P算 法 时， WS N 网络接收率如图 7所示 。可看出洪泛算法 的 网络接收率最高， 但 因洪泛算法转发率较高 ， 导致网 络能耗高 ； 在相 同区域 内， 随着传感器节 点数 的增 加 ， 节点密度也不断增加 ， 改进的前 向广播算法的网 络接收率也在增大 ， 满足 网络接收率要求 ； 改进的前 向广播算法与 S i d e wi n d e r 一 0 ． 7算法、 ND D P算法相 比， 在 网络接收率方面更有优势 。 褂 鲻 瓣 匿 露 5 0 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 传感器节点数 图 7采 用 不 I 司算 法 时 W S N 网络 接 收 翠 3 ． 2 ． 2 传感 器节 点数 对 网络转 发率 的影 响 网络转发率是网络中信息转发节点与总节点的 比值 。在网络接收率相 同的情况下 ， 网络转发率越 小 ， 表示广播算法越节能 。在传感器节点数不同的情 况下 ， 采 用 改 进 的 前 向 广 播 算 法 、 洪 泛 算 法、 S i d e w i n d e r 一 0 ． 7算法和 ND D P算法 时， wS N 网络转 发率如图 8所示 。可以看出 ， 与其他算法相比， 改进 的前 向广播 算法 的 网络转 发率 最小 ， 因此 更为 节能 。 摹 褥 瓣 蟓 匿 露 4结 语 5 0 1 00 1 5 0 2 00 25 0 传感器 节点数 图 8采用不同算法时 WS N 网络转发率 采用改进 的前 向广播算法 时， WS N 转发节点 将根据 自身位置 ， 选择优先传感器节点转发信息 ， 大 大减少 了网络转发的冗余信息和能耗。仿真结果表 明 ， 在 W S N 节 点密度 达 到一 定程 度 时 ， 改 进 的前 向 广播算法满足网络接收率要求 ， 且该算法能够限制 转发的信息总量， 从而降低 WS N能耗。 参考文献 E l i 张小庆 ， 李 腊元 ． 无 线传感 器 网络洪 泛路 由算法 的改 进模型[ J ] ． 微计算机信 息，2 0 0 8 ， 2 4 3 1 1 2 2 1 2 4 ． [ 2 ] 朱军． 无线传感器 网络在 煤矿井 下 的应 用 [ J ] ． 煤 炭技 术 ，2 0 1 4， 3 3 1 1 2 7 1 2 8 ． [ 3 ] AKY I L D I Z I F ， S U W ， S ANKA RA S UB R AMAN I AM Y， e t a 1 ．A s u r v e y o n s e n s o r n e t wo r k s [ J ] ．I E E E Co mmu n i c a t i o n s M a g a z i n e ，2 0 0 2，4 0 8 1 0 2 - 1 1 4 ． [ 4 ] KE AL L Y M，Z HOU G，X I NG G． S i d e w i n d e r a p r e d i c t i v e d a t a f o r wa r d i n g p r o t o c o l f o r mo b i l e wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s [ c ] ／ ／I E E E C o mmu n i c a t i o n s S o c i e t y C o n f e r e n c e o n S e n s o r ． M e s h a n d Ad HO C Commu ni c a t i o ns a nd Ne t wo r ks ，Ro me，2 00 9 1 9． [ 5 ] 沈悦 ， 郭龙江 ， 李金宝． 移动传感 网中基于密度 和距 离 的概率广播算法[ J ] ． 计算机 研究与发展 ， 2 0 1 4 ， 5 1 1 1 51 1 6O． [ 6 ] 冯 娜． 煤矿 无 线传 感 网络 WS N 人 员定 位 系统 研 究 [ J ] ． 煤炭技术 ，2 0 1 4 ， 3 3 3 2 5 2 2 5 4 ． [ 7 ] 胡长俊 ，袁树杰． 移动传感 网基 于位 置的前 向广播 算 法[ J ] ． 西安 电子科 技大 学学 报 自然科 学 版 ，2 0 1 5 ， 4 2 4 1 47 1 5 2．