[发明专利]一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及无线传感器的路由协议，具体为一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)不需要固定网络结构，就可以进行无线通信，具有自由组网、抗损毁性能强等特性，因此，较适合应用于矿井巷道中进行无线通信。路由协议为无线传感器网络的核心内容，通过路由协议可以传输信息，路由协议对整个网络的能耗和稳定性起到了至关重要的作用，目前经典层次型路由协议包括：LEACH协议、PEGASIS协议、TEEN协议等；井下信道衰减对信息的稳定传输影响也很大，有多种信号衰落模型，如多径衰落，阴影衰落等等，无线传感器中的发送模块能耗模型为：

E_T=E_T×E_fs+E_fs×d^λ=E_elec×k+E_fs×k×d²  d≤d₀

E_T=E_T×E_fs+E_fs×d^λ=E_elec×k+E_amp×k×d⁴  d＞d₀

无线传感器中的接收模块所消耗能量的数学模型为：E_R=E_ele×k，k为数据量值参数，d为数据传输的距离，d₀为距离参数，E_elec为发送1bit数据的消耗，E_ele为接收1bit数据的消耗，无线通信存在远距离传送数据，因此数据传送模式分为自由空间模型和多径衰落模型，当d≤d₀采取自由空间模型，同时E_fs为自由空间衰减放大器的能量消耗模型参数，当d＞d₀采取多径衰落模型，E_amp为多径衰落放大器的能量消耗模型参数，由发送模块的能耗模型看出，数据传送模式不同，发送模块的能耗差别很大，因此，井下无线通信模型是建立设定网络协议重要的参考技术。煤矿井下环境复杂，而且巷道一般为长带状分布，数据一般从巷道深处向巷道口基站汇聚，按照现有的路由协议传输的数据流向如图1所示，巷道中各个区域中的簇头分别向巷道口基站发送数据，数据在传输路径上就会出现“棒状”情况，且在基站处出现“热区”问题，造成了无线传感器网络工作不稳定，距离基站较远的簇头能量消耗大，造成节点耗能不均的问题；而巷道其他因素也会对数据传输产生影响，如巷道壁粗糙度，巷道壁倾角等，巷道壁粗糙度能耗模型为：，巷道倾斜角能耗模型为：，其中a、b分别为巷道的长和宽，δ为巷道壁粗糙度的均方根值（不同巷道取值不同），λ为发射信号的波长，θ为巷道壁倾角，因此要想数据顺利的传送到基站或者接收节点，发送模块必须提高发送信息所消耗的能量，其整体的能量消耗应为：E=E_T+E_cc+E_qx，但是现有的路由协议没有考虑到，因此无线传感器网络中出现死亡节点的时间加快，整个网络的使用寿命缩短。

发明内容

本发明为了解决井下节点能耗大，整个网络工作不稳定、使用寿命短的问题，提供了一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，包括以下步骤：

设簇头阈值，选取所产生的随机数X<T(n)的节点为簇头，式中romd为轮数，为循环中当选过簇头的节点个数，为簇头节点在所有节点中的比例，E_c为网络中节点剩余能量，E_strat为网络中节点初始能量，δ为巷道壁粗糙度的均方根值；

设簇头的成簇半径，簇头在成簇半径内广播成簇信息，等待簇成员的加入，式中θ为巷道壁倾角，θ∈(0°,90°)，d_max为网络中节点到基站的最大距离，d_min为网络中节点到基站的最小距离，d_i表示簇头到基站距离，R_c为常系数；

节点接收到成簇信息，然后根据接收到的簇头信息的强度选择离自己距离最近的簇头作为自己的簇头，簇建立完成；

簇内节点分别向簇头传输信息；