基于虛擬網關節點的采空區無線傳感網絡控制協議

王春

(國家能源集團 寧夏煤業有限責任公司 麥垛山煤礦， 寧夏 銀川 750408)

0 引言

眾所周知，監測煤礦采空區范圍內的礦壓顯現、瓦斯與CO集聚、遺煤自燃等現象對于保證開采進度和保障煤礦安全是非常重要的。但是由于采空區環境惡劣、地形復雜，常規的監測監控系統難以布置與維護。目前主要還是采用束管系統進行氣體的采集與分析[1]。近年來，人們開始提出將無線傳感器網絡(WSN)用于煤礦采空區的環境監測。資料[2]設計了一個基于Zigbee的煤礦采空區環境實時監測系統，資料[3][4]給出了煤礦采空區無線傳感器網絡的路由協議，資料[5]研究了采用無線傳感器網絡對采空區自燃進行監測。這些研究對推動無線傳感器網絡在采空區的應用起到了積極的作用。

對于WSN來說，煤礦采空區是一個特殊的無線傳輸空間。這不僅是由于其工作環境的惡劣，還由于其無線網絡布置和傳輸的特殊性。煤礦采空區是一個時空變化的空間。采空區在隨著工作面不斷地推進。一方面，傳感器節點無法跟隨推進而移動，為了持續的監測，只能不斷從工作面向采空區加入新的節點；另一方面，采空區的“三帶(散熱帶、氧化帶、窒息帶)”[1]也在不斷向前推進，舊節點逐步進入窒息帶而失去監測意義，新節點不斷加入到散熱帶而發揮作用。如果不考慮采空區的這些時空變化特性，就難以發揮WSN監測的作用和效率。

本研究利用集群概念和平面結構的路由器協議實現一種適合煤礦采空區使用的高效率路由方法，將多個傳感器節點放在一個群中，以適應采空區變化的無線環境，而不改變網絡的目的和功能。下面主要介紹相關原理、系統模型和該算法的詳細操作，對所使用的方法進行性能分析。

1 WSN網絡現狀

與采空區WSN不同，一般的WSN網絡主要是為了支持傳感器節點的移動性，通常認為是均勻各性同性的網絡。由于移動無線傳感器節點可以連接到人體、車輛和其他移動對象，為有效維護接收節點與傳感器節點之間的路由，提出了各種路由算法。其中最有影響力的是LEACH算法、PEGASIS算法和SPIN算法等。

LEACH將整個網絡劃分為集群[5]。每個集群都有一個簇頭。每個集群中的節點將其數據發送到簇頭。然后，簇頭收集數據并將其中繼到基站。每個集群使用不同的CDMA碼分多址方式來避免沖突。LEACH是一種基于分層的協議，它簡單且可伸縮。但是該協議對于節點來說并不是非常有效的。此外，必須隨時打開集群簇頭的無線電，從其集群中的節點接收數據包，簇頭節點會迅速地流失電能,于是有了各種改進的簇頭選擇算法。

PEGASIS通常被稱為基于鏈的協議，通過單個鏈來組織傳感器節點，消息從基站最遠的節點開始按沿鏈發送[6]。其主要優點是小的總能量耗散，因為節點只需要與鄰居通信。然而PEGASIS的缺點是假設每個節點都有其他節點的全局知識，這會產生明顯的延時。

SPIN算法是一種以數據為中心的協同算法，相鄰節點間通過協商來減少冗余數據的傳輸，以達到節能的目的[7]。

為了克服普通WSN網絡在工業應用的實時性、可靠性和確定性問題，人們又提出了工業WSN，即IWSN[8-9]。顯然，WSN和IWSN都不是針對采空區場景提出來的，難以適應采空區這種特定的場景。為此，本文提出IGCP集成網關節點控制協議。

2 集成網關控制協議IGCP及其混合算法

雖然WSN層次結構是高效的，數據聚合和網絡處理相對容易，但為均衡簇頭等節點中的能量消耗，層次結構需要頻繁重新創建。而扁平結構有多跳通信，但數據傳輸效率較低。另外，WSN的能源使用，是非常低效的，因為所有傳感器節點應始終用于通信。本研究提出一種由多個節點組成的虛擬網關節點，即集成網關控制協議IGCP(Integrated Gateway Control Protocol)，其既使用分層結構路由協議簇，又允許虛擬節點之間的平面結構路由協議。由于采空區的新節點相對能量較強，因此，IGCP的混合算法中自然傾向于使用新節點作為這些虛擬節點，而其他節點自動轉為普通測量節點，這也符合隨著工作面的推進，舊節點逐步向窒息帶過渡的具體情況如下:

1) 初始泛洪。路由信息從接收節點中溢出。每個節點為每個接收器節點設置路由信息的過程與距離向量算法相似。在路由信息包中，包含到特定接收節點的躍點數和發送節點的地址。當節點從鄰居節點接收路由信息時，它會增加一個躍點數，并將該數字作為其自身的躍點數，然后使用其自己的地址重新傳輸此信息。當從不同的相鄰節點接收到不同數量的躍點數時，使用的是最小數目。如果節點在重新傳輸路由信息后接收到較小的數字，則應再次傳輸較小的數字以更正傳播的錯誤。通過此過程，每個節點都可以知道它自己的躍點數到特定的接收器和下一個躍點節點的地址到接收器。

2) 群集。初始群集在初始路由信息分發過程中發生。在路由信息包中，應包括發送節點的能量狀態信息。當節點傳輸路由信息時，節點的每個鄰居，除了以前傳輸信息的人，都將重新傳輸信息。該節點可以利用路由信息包收集每個相鄰節點的能量狀態信息，并將其與自身的能量狀態進行比較。當節點發現它具有最大能量時，它就成為簇頭(通常為采空區新加入的節點)，并向其鄰居廣播簇頭廣告(CHAD)消息。在節點決定成為群集頭之前，必須等待足夠的時間從所有相鄰節點收集能量狀態信息。決定不成為群集頭的節點等待來自任何其他節點的CHAD消息。如果等待CHAD消息的節點不能接收一個預先確定的時間段，它會重復使用其他非附屬節點的能量狀態信息的交換過程。此過程是重復的，直到每個節點都隸屬于一個群集頭。任何非附屬節點的分支機構，其CHAD按它首先收到的節點。

3) 網關選擇。一個群集頭有一個網關節點到一個接收節點。網關節點是由簇頭選擇的節點之間，其中一個躍點接近接收節點后，群集頭被選出。網關節點可能是或不是群集頭的群集成員，群集頭選擇它作為網關。群集頭將網關選擇消息發送到選定的網關節點，因此所選節點可以知道它的網關。從接收節點和數據收集到接收節點的查詢傳播是通過群集頭和網關節點執行的。

4) 集成網關節點。雖然分層結構在數據聚合和網絡處理方面都很容易，但是層次結構不能長期維護，需要再次創建，因為密集的能量使用在節點,如簇頭。扁平結構比分層的多跳通信更容易維護，甚至允許每個節點的能源使用。然而，無線傳感器網絡最重要的方面能源使用是非常低效的，因為所有傳感器節點應始終用于通信。本算法對兩種結構的脆弱性進行補償，即集成網關節點算法。它是一種由多個節點組成的虛擬網關節點，根據工作面WSN網絡布置原則[10]，這些虛擬網關節點以采空區新加入的節點為主，如分層結構路由協議簇，允許虛擬節點之間的平面結構路由協議。

5) 鏈接設置群集頭廣告(CHAD)主要分為繁忙狀態和靜態狀態。繁忙狀態是作為IGNH(集成網關節點頭)運行的狀態，靜態狀態是作為IGNM(集成網關節點成員)運行的狀態，因為不需要IGNH角色。繁忙的狀態發生時，不同的設計，相鄰的新創建，或相鄰的路由表的變化。它也成為繁忙的狀態，當它缺少IGNM節點，需要借用IGNM節點與許多IGNM節點。在繁忙的狀態下，IGNM不扮演IGNM節點的角色，而是只扮演角色，總是保持清醒。IGNH在繁忙狀態下有許多角色,因而不扮演任何角色的為數據通信，但僅工作為控制信號通信。它甚至排除所有傳感器節點在虛擬節點中的能量使用。當IGNM在IGNH通信期間沒有任何控制通信信號時，就會出現靜態狀態。通信周期由幀同步組成,幀是虛擬節點進行通信和同步的時間,是計劃重新配置和錯誤處理的時間,同步比幀短很多。IGNH在靜態狀態中沒有許多角色，IGNH作為IGNM節點工作。一旦初始化級別結束，并且創建了虛擬節點，就會成為漸變級別的繁忙狀態,則需要在虛擬節點或IGNH信息之間進行IGNM傳輸的操作。在第一個繁忙狀態中，在創建路由表之前，它不會移動到靜態狀態。

盡管路由表配置在發送查詢或廣播時就像其他平面結構協議一樣進行，但配置方法卻存在一點差異。如果虛擬節點在廣播中接收查詢或數據包，則它首先檢查接收到的節點是否接收到傳輸距離的不到一半的功率。如果接收到的節點具有更多的電源，并且在其他情況下被忽略，則創建路由表。此外，路由表信息最多可保存2個虛擬節點躍點。虛擬節點需要接收電源的原因是通信限制。圖1所示為在集成網關節點初始化的過程。節點B作為IGNH運行，節點A和C作為IGNM運行。

圖1 初始操作

6) 泛洪位優先。一旦集群形成，泛洪過程就不會被執行。根據水淹所獲得的水平，節點在傳輸的數據中利用自己的級別進行更新。這一級別更新過程見圖2。

(a)

那些具有最低級別值的節點，轉向它的相鄰節點。然后，此節點將其自身級別設置為降1，如從Low Level 4降為Low Level 5，并添加到現有級別的結果。這些進程是在級別更新時發生的。過程(a)、(b)和(c)表示從通常的低層傳感器節點到高層網關節點。

7) 數據傳輸。一旦群集形成，作為一項規則，其所有操作都由網關節點控制。在群集中檢測和獲取的信息被傳輸到網關節點。然后，網關節點通過數據聚合將數據傳輸到中繼節點。接下來，中繼節點將數據傳輸到選定的上部鏈接,有助于設置上層鏈接。

3 仿真與分析

用C++創建一個模擬器，對采空區WSN模擬如圖3所示。并將傳感器節點作為一個類對象。每個類都包含一個處理每個事件并根據處理程序的不同類型而操作的處理器。對于表示傳感器節點的類，也可以在本研究中創建虛擬節點，并應用運算算法。數據包也是類對象，并繼承要配置的事件。根據數據包的功能和數據包在節點對象中的處理，有多種類型。選擇了任意節點對象，如果對象處于非活動狀態，或者已經是其他虛擬節點的成員，則選擇下一個對象。如果所選對象不是虛擬節點的成員或處于非活動狀態，則將執行在節點對象中定義的算法。隨著這種過程的重復，虛擬節點算法被應用到所有被選擇的節點對象。創建虛擬節點的傳感器字段的數據設置為在同步節點中進行。數據包類型可以是"興趣"或"查詢"，具體取決于平面結構路由協議，并且可以更改大小以適合應用程序運行的條件。同時，在CBR(Computer Build Report計算機生成的報告商品指數)方法中可以在一定的時間段內傳輸數據包,將研究應用的參數值進行仿真。

圖3 采空區節點布置模擬

該仿真分析了現有路由協議運行時所使用的能量值，并應用了本研究提出的算法后所使用的能量值。此模擬不考慮初始化級別中用于創建虛擬節點的能量值,這是因為相比總能量值的使用,它是一個非常小的能量值。

在這個模擬中，一個1 024字節的數據包是同步創建的，這個數據包發送到整個網絡，并分析了該過程中使用的能量。使用的路由協議是泛洪和旋轉。使用參數用于其他模擬相同的條件下進行的實驗。

圖4顯示了一般泛洪之間的能量比較，在這種情況下，虛擬節點算法不被使用，并且通過虛擬節點在其中應用虛擬節點算法進行注水。如圖4所示，在應用該算法時，有多達55%的節能效果。

圖4 一般泛洪能量比較的模擬結果

同時，采用虛擬節點后，能源效率也有較大提高。圖5是帶虛擬節點和不帶虛擬節點兩種方式應用于SPIN算法進行的能量消耗比較。模擬中設置數據大小為32個字節。與泛洪一樣，通過所提出的虛擬節點算法，可達到32%的節能效果。

圖5 消耗能量比較的模擬結果

4 結論

無線傳感器網絡的多種能效路由方法主要可以分為分層結構算法和平面結構算法。每個算法都有自己的優缺點。根據煤礦采空區WSN的特點提出了一種基于虛擬網關節點的混合算法，包括了現有的分層結構算法和平面結構算法的優越性。該算法在捆綁多個節點后，與平面結構類型協議的應用進行通信，如分層結構群集，并使它們作為一個節點工作。虛擬網關節點算法不僅提高了無線傳感器網絡中重要的能源效率，而且還創造了虛擬節點，從而實現了高效的能效管理。此外，還可以實現各種應用。它還通過允許每個節點的能效使用，以及執行現有傳感器網絡路由協議中的數據聚合和內聯網，來彌補現有的分層結構路由協議的缺點。

論文中提出的算法可以方便地創建具有簡單MAC協議的虛擬節點，因為控制信號創建虛擬節點的過程并不復雜，并且數據包可以平滑地流過，此外在沒有許多傳感器節點用于通信的條件下,會有較少的數據包沖突,減少數據重新傳輸過程的次數。仿真分析表明，該算法在能效使用上表現出很大的性能，不需要大量的能量值來創建虛擬節點，虛擬節點的選擇適用于采空區這種有大量新節點加入的應用環境。所以它在如采空區這樣較長鏈路數據及時空變化傳輸環境中更有效率。

虛擬節點算法具有許多特點和優越性，有望在采空區WSN監測領域中得到廣泛使用，提高能源的使用效率和采空區監測的有效性。如果涉及到采空區動態監測等實時應用，仍需要研究協議的同步與時延問題。