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电子信息工程专业毕业设计(论文)外文翻译-链式无线传感网络在煤矿井下的部署策略-精品

电子信息工程专业毕业设计(论文)外文翻译-链式无线传感网络在煤矿井下的部署策略-精品


链式无线传感网络在煤矿井下的部署策略
摘要:无线传感网络(WSNs)在煤矿井下安全检查中有非常重要的作用,传感节点部署影
响无线传感网络的性能,在我们的研究中,第一次提出了链式无线传感网络(CWUMSN) ,链 式无线传感网络能够监测煤矿井下的环境和人员定位。 我们对传感网络的传感节点的最低部 署策略进行了理论研究,我们证明了,链式无线传感网络中非均匀部署策略网络的生命周期 比均与部署策略要长,其次,我们提出了一种煤矿井下链式无线传感网络节点非均匀部署的 动态研究算法。其结果显示,煤矿井下链式无线传感网络中,非均匀密度最低部署网络的生 命周期是均匀密度最低部署策略的 2.5 倍长。 这项工作提供了一个煤矿井下无线传感器网络 节点新的部署策略,有效地促进了无线传感器网络在煤矿井下的应用。

关键字:无线传感网络;链式;煤矿井下;节点部署策略;网络的生命周期; 1 简介
煤矿井下环境监测和矿工定位是确保矿井安全生产的关键任务, 煤矿井下许多的安全因 素中(包括气体量,防水,防尘)需要不断的进行检测。在现有的一些有线、无线煤矿井下 监测系统中,基站只能固定在矿井走廊。矿井下的无线设备需要较高的功率用来联络基站。 因此,这些系统的主要缺点是高能耗和无线设备的高成本。 无线传感网络(WSNs)是目前无线网络应用研究中的热点,许多的无线传感网络被设计 用于军事、工业、环境监测等领域。商业化农业,地质安全和导航刺等已有的和潜在的各种 应用中,要求我们提高监测各种地下条件能力,无线传感器网络已经成功地用于煤矿井下环 境监测和跟踪矿工的位置 无线传感网络在监测系统中的优点是快速响应和灵活部署。 Stolkin 等人提出了无线传 感网络中传感器节点的部署策略。 通常假设传感器节点在一个分布式的方式部署在一个相对 集中的二维甚至三维地区。但是,这些现有理论并不适用于关键传感器网络,关键传感网络 的传感器节点具有战略链型拓扑以及相对较长的部署距离。这类应用往往受限于自然景观、 人工建筑, 由于其远距离,比如河流,海岸,高速公路,国界线,煤矿井下隧道。这些位置 要求传感器节点部署的应只限于狭窄,长的很长一段走廊。 我们链型无线传感器网络的拓扑结构、通信协议和传感器节点部署方法进行了研究。在 现有的理论中, 没有适合与煤矿井下链式无线传感网络这应用在特殊的地下环境和通信信道 丢失多。遗憾的是,煤矿井下链式无线传感网络的无传感节点部署算法已经被,这阻止了煤 矿井下无线传感网络的发展。

2 链型矿井无线传感器网络
用于矿井环境监测和矿工定位的链式矿井无线传感器网络(CWUMSN)拓扑在图 1 所示

图 1 链式矿井无线传感网络拓扑图 链式矿井无线传感网络包含三个节点: 传感器节点 (SNs) 黑色圆点表示。 簇头节点 (CHNs) 用实心正方心表示。基站(BS),用三角形表示。传感器节点固定地部署在矿井隧道两边。 首先采集到环境信息和员工位置。 然后发送给簇头节点。 簇头节点是一个特殊的传感器节点, 按照簇头选择规则从传感器节点中选择出来的。 簇头节点间相互联系并且通过多级跳模式传 输从感器节点收集到的信息给基站。 通常, 基站部署能够通过有线网络连接到地面的轴站里。 基站从最近的簇头节点收集信息,然后将信息通过有线方式传输给地面服务器。在图 1 中, 箭头方向表示数据传输的方向。 定义 1 , 在链式矿井无线传感网络中, CWUMSN=<BS,SCHN,SSN,E0,Eε ,r,D> (1)

其中,BS 表示基站,SCHn = {CHN1,CHN2,?,CHNi, ?, CHNj)表示设置的簇头节点,n 表示自然数,SSN={SN(1),SN(2),?,SN(i),?,SN(n)}表示设置的传感器节点。其中, SN(i)={SNi1, SNi2, ?,SNik) , i=1,2,?,n,k 属于自然数,E0 表示每个传感器节点的功耗,E
ε

表示每个传感器节点的最低功耗。r 表示传感器节点的传感半径。D 表示链式矿井无线传感

网络的长度。 一般情况下,我们假设: 1)传感器节点和簇头节点都是电池供电,所以都是一个有限的能源供应。 2)基站没有能源约束。 此外,当一个传感器节点电量用尽,其他的传感器节点仍然能够在该区域采集信息,并 且传输最新的信息给簇头节点。然而,当一个簇头节点的电量耗尽,整个簇头节点覆盖的区 域将失去作用,尽管有些传感器节点仍然有点而且还能工作。因此,网络的生命周期完全由 簇头节点的生命周期觉得。 例如, 簇头节点的部署会影响整个链式无线传感网络的生命周期。 为了保持网络的稳定性和鲁棒性,提出了增加多余覆盖的方法,即提高传感器节点的部署密

度。现在的问题是簇头节点的最低部署密度是多少?因此,我们将在下一节中讨论簇头节点 的最低部署密度算法。 如果我们忽略隧道的曲线形状,则簇头节点的分布就是一条线性的,如图 2 所示。

图 2 链式矿井无线传感网络中簇头节点的部署

3 确定簇头节点的最大部署密度算法
每个传感器节点的能耗由三部分组成:传感能耗、通信能耗和输出处理能耗。其中传感 能耗与传感器的灵敏度有关,通信能耗几乎有一半消耗在每个节点上,数据处理能耗与电路 的设计有关。 为了用最容易的方式描述链式矿井无线传感网络,我们提出以下假设: 1)每一个传感器节点的内部结构相同。 2)传感器的能耗完全由通信消耗。 3)每个传感器节点一直工作。 4)每个传感器节点的通信半径相同。 5)链式矿井无线传感网络是一个完美的网络,即每个传感器节点网络的生命周期相同。 定义 2 CHNi 和 CHNj 是临近的两个簇头节点, 当且仅当 di<=r,其中, di 表示簇头节点 CHNi

和 CHNj 间的距离。 通信能量由三部分组成:信号变换能耗,无线发送能耗和接受能耗。 定义 3 给出: 传输能耗消耗在 CHNi 的能量,其中传输数据给临近簇头节点 CHNj 的能量由下式

其中,et 表示传输数据的能耗,ed 是一个与无线电有关的常量,该常数表示传输路径损 失指数,a=2 表示一般的空间信道模型,a=4 表示多径衰落通道模型,v 表示数据传输速率。 定义 4 当 CHNi 从 CHNj 接受数据是消耗的能量由下式计算:

其中,er 表示接受一位数据时消耗的能量。 我们在链式矿井无线传感网络中作出如下假设, 簇头节点 CHNi 融合传感节点数据后的数 据时 B 位,同时,CHNi 从前 i-1 个簇头节点中接收到(i-1)B 位数据,则 CHNi 需要传输 iB 位数据给 CHNi+1。 定义 5 CHNi 信息转换消耗的能量为

定义 6 簇头节点 CHNi 的生命周期用 Li 表示,则,簇头 CHNi 的工作周期指信号变换次 数。 定义 7 网络的生命周期用 L 表示,是指第一个能源耗尽的簇头节点的生命周期。 引理 1

证明,通过定义 5,6,引理 1 很容易被证明。 在链式矿井无线传感网络中, 传感器节点应该是人为的部署并可分为两种类型的部署策 略:均匀部署策略和非均匀部署策略。均匀部署策略意味着簇头节点均匀地部署在地下隧道 中,而非均匀部署策略意味着或多或少的随机部署在隧道中。常和杨等人假定传感器节点为 均与部署策略。我们将讨论均匀部署和非均匀部署两种部署策略的网络生命周期。 定理 1

证明,从引理 1,我们得出,



通过给出的这两个等式和等式(5),我们有 Li=Li-1,然后

式中,er=et,此外,等式(7)变换为



从等式(8),我们得出

从上面的等式组(9)中,我们得出

然后

定理 2 在链式矿井无线传感网络中簇头节点部署策略是非均匀部署策略。

证明 得出

其中,di 是一个和 i 有关的可变参数,即簇头节点部署策略是非均匀部署策略。 推论 1 越靠近基站的簇头节点,其部署密度越高。 证明 在等式(6)中,对不同的簇头节点,参数 i 是可变的,其他参数不变。越靠近基 站的簇头节点,i 越大,相反,di 越小,即表明簇头节点的部署密度越高。 定理 3 链式矿井无线传感网络非均匀部署策略的生命周期为 Lnu,其比均匀部署策略的

生命周期(用 Lu 表示)要长,即 Lnu>Lu。

证明 通过引理 1 得出每个簇头节点的生命周期是相同的,并且用 Lnu 表示,因此

其中,d 是两个相邻的统一部署簇头节点间的距离, 从等式(10)和(11)中,我们得出



通过推论 1 ,我们得出 dn<d,此外,Lnu>Lu

4 链式矿井无线传感网络簇头节点最低密度部署策略算法
链式矿井无线传感网络簇头节点最低密度部署策略计算过程如表 3 所示 输入:a,E0,Eε , D,et,er , ed,r,v ,B,d1. 输出:xi,Lnu and Lu. 1)计算:di,i=2….,n. 2)计算链式矿井无线传感网络中簇头节点的个数。得出 di 和 D。 3)建立均匀部署和非均匀部署策略的方案。设置第一个簇头节点 的坐标为(0,0) ,然后第 i 个节点的坐标为(xi,0) ,其中

4)计算当前簇头节点的 Lnu 和 Lu。 图3 簇头节点非均匀部署策略最低密度计算过程

5 链式矿井无线传感网络簇头节点动态选择算法
由上述得出, 在链式矿井无线传感网络中, 簇头节点的选择具有重要的作用。 Chang et al and Yan et al 推定簇头节点是固定的。是一个未达条件鲁棒网络。如果一个簇头节点损坏,

则整个网络就损坏。为了保持网络的连接性,损坏的簇头节点将被传感器节点替代。选择传 感器节点作为新的簇头节点。簇头节点的动态选择算法如图 4 所示。

1)按照非均匀部署策略部署簇头节点如图 4a 所示 2)沿着基站的方向为每个簇头节点部署传感器节点如图 4b 示。 3)当一个簇头节点损坏,选择靠近损坏簇头节点的传感器节点作为新的簇头节点。图 4c 所示为选择的新的簇头节点。 4)选择靠近其他簇头节点的传感器节点作为新的簇头节点。图 4d 所示为选择的新的簇 头节点。

6 仿真与结果
我们选定一个长两公里,宽 4.9 米的矿井。MAC 网络协议遵循 802.11 协议,通信带宽为 900MHz(实验显示地下矿井中的最佳通信带宽为 900MHz),矿井中路径损失指数 4 指多径 损失。数据传输速率为 40kbps,传感半径为 40 米,簇头节点由两节 1.5 伏的电池供电,并 且电池的初始电量为 15.12MJ,通过公式 J =U ×I×t,其中,U 表示电压,I 表示电流,t 指工作时间。 每节电池都是 1.5V (300mAh) , 为了延长仿真时间。 我们设置电量 E0 为 1500J,E
ε

为 10J,B 为 64bit,et 为 50nJ/bit,er 为 50nJ/bit,ed=10pJ/bit/m4,d1 为 40 米,通过定

理 1,链式矿井无线传感网络的簇头数为 140,在我们的实验中,我们比较了均匀部署策略 和非均匀部署策略。 这些实验是在 OPNET Modeler 中进行的,OPNET Modeler 的配置如下:持续时间 600 秒, 种子数 128,每 100 次统计有效,更新间隔每 500000 事件。内核是基于 kernel-type 形式 的。 由于空间限制,图 5 中只仿真了 150 米的距离。即 D 为 150 米,在图 5 中,实心圆表示

一个簇头节点,图 5a 表示均匀部署策略,图 5b 表示非均匀部署策略。

图5

链式矿井无线传感网络的仿真

在图 5 中,非均匀部署策略的簇头节点的分布密度(9 个簇头节点)高于均匀部署策略簇 头节点的分布密度(13 个簇头节点)。 链式矿井无线传感网络非均匀部署策略中簇头节点的坐标如表 1 所示 表 1 链式矿井无线传感网络非均匀部署策略中簇头节点的坐标

从表 1 中,我们可以得出,越靠近基站簇头节点,两个传感器节点的距离越近。 根据模拟方案和实验,非均匀部署策略的网络生命周期是 431.81 秒,而均匀部署策略的 网络生命周期为 182.57 秒。在链式矿井无线传感网络中,非均匀部署策略网络的生命周期 几乎是均匀部署策略的 2.5 倍。

图 6 链式矿井无线传感网络均匀与非均匀部署策略的能量消耗 从图 6 中我们得出,链式矿井无线传感网络的能量下跌呈线性,均与部署策略的能量下 跌速度比非均匀部署策略下跌速度更快。

7 结论
无线传感网络对矿井中环境监测和矿工地位非常有用,链式矿井无线传感网络影响网络 的性能。 我们建立了矿井无线传感网络模型和传感器节点部署最低密度。理论上非均匀部署策略 是优于均匀部署策略的, 仿真结果显示链式矿井无线传感网络非均匀部署策略的网络生命周 期比均匀部署策略长, 我们为真正的地下无线传感网络的传感器节点部署策略提供了一个重 要的指导。 在这篇文章中,没有提及簇头节点数据融合技术,通常,数据融合方法可能会减少传输的数 据。链式矿井无线传感网络有效的数据融合方法将在以后的工作中研究。

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