)作为目标函数，将目标函数从大到小 排列，选择出目标函数最大的节点作为下一跳节点；
[0056] P(i，j) =aEr ⑴ +βE(j) +λS(j)
[0057] (3)网络通过局部最下一跳节点确定整体的最优数据传输路线。
[0058] 所述的空间节点的部署位置部按如下方式确定：
[0059] 将三维空间坐标信息简化为二维坐标，在二维空间中，X轴表示沿着巷道底部中心 轴线距离sink节点的距离，Y表示节点到巷道底部的弧长，在狭长的巷道中已知两点的坐 标分别为叫(Xl， yi)、n] (X]，y])，利用几何知识可以计算出两个节点之间的距离d1];
[0060] _
〇.[0061 ] 所述的网络节点的阈值Τ(η)由下式确定：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，ρ是簇首在所有节点中所占的百分比，r是所进行的选举轮数，rmod(l/p) 代表的是这一轮循环中当选过簇首节点的节点个数，E_rant(η)为该节点当前的剩余能量， Einit (η)为该节点的初始能量，G是在这一轮循环中未当选过簇首的节点的集合，(η) 为当前节点的转播因子，Savg平均转播因子，q为（0, 1)之间的随机数。
[0065] 所述的混合路由建立过程，数据传输的下一跳节点选择方式如下：
[0066] 已知两点(Xi,y;)、(x_j,yj，其中叫为源节点，当节点满足下面公式时，贝1J节点 11在η;的下一跳节点候选区域中；
[0067； ? L
，」
[0068] 根据能量消耗模型，计算节点叫传输数据到下一跳节点η,的剩余能量期望值 Er⑴；
[0069]
[0070] 使用贪心算法将节点的权值函数P(i，j)作为目标函数，将目标函数从大到小排 列，选择出目标函数最大的节点作为下一跳节点，权值函数p(i，j)的表达式如下：
[0071] P(i，j) =aEr(i) +i3E(j) +AS(j)
[0072]其中α、β、λ为常数参数，且α+β+λ=1;节点根据权值函数选取局部最优的 下一跳节点，局部最优解组合起来得到数据传输的最佳路径。
[0073] 实施例1 :下面对本发明进行详细说明，本发明在此提供一种基于贪心思想的三 维矿井混合路由算法，包括以下步骤：
[0074] (1)节点部署阶段：
[0075] 参照图2,该算法针对煤矿井下的特殊环境设计符合其特点的节点部署模型，根据 空间镶嵌理论，为了降低成本，同时结合煤矿巷道的特点以及安全监测的需求，节点部署在 三角棱柱的顶点位置。将三维空间坐标信息简化为二维坐标，在二维空间中，X轴表示沿着 巷道底部中心轴线距离sink节点的距离，Y表示节点到巷道底部的弧长，在狭长的巷道中 已知两点的坐标分别为叫(Xl， yi)、n] (X]，y])，利用几何知识可以计算出两个节点之间的距 离屯。
[0076
[0077] (2)路由建立阶段：
[0078] a、节点成簇过程：
[0079] 与LEACH协议相似，网络中的节点产生一个在0~1之间的随机数，如果这个随机 数小于阈值T(n)，那么该节点当选为簇首。为延长网络生命的周期，平衡节点的能量消耗问 题，在成簇过程中，应尽可能增加剩余能量较高且转播因子较大的节点当选为簇首的概率。 节点被当选为簇首节点后，向周围节点广播自己成为簇首的消息，其他普通节点收到消息 后，根据信号强度等信息，选择最优的簇首加入某个簇，成为该簇的成员。当簇首收到所有 的加入信息后，产生一个TDMA定时消息，并将该消息通知到该簇中的所有节点。
[0080] b、混合路由建立过程：
[0081] 簇内路由转发采用单跳通信模式，簇间通信采用多跳的模式。多跳通信主要是节 点的下一条节点的选择。
[0082] 已知两点(Xi,y;)、(x_j,yj，其中叫为源节点，当节点满足下面公式时，贝IJ节点 η在ni的下一跳节点候选区域中。
[0083]
[0084] 根据能量消耗模型，计算节点叫传输数据到下一跳节点η,的剩余能量期望值Er⑴。
[0085]
[0086] 使用贪心算法将节点的权值函数P(i，j)作为目标函数，将目标函数从大到小排 列，选择出目标函数最大的节点作为下一跳节点，权值函数P(i，j)的表达式如下：
[0087] P(i，j) =aEr ⑴ +βE(j) +λS(j)
[0088] 其中α、β、λ为常数参数，且α+β+λ= 1。节点根据权值函数选取局部最优 的下一跳节点，局部最优解组合起来得到数据传输的最佳路径。
[0089] 监测网络利用上述路由算法将监测数据发送到工业控制网络中，为后期的数据处 理提供了依据。该算法能量开销小、均衡性好且时延较小，适用于煤矿井下安全数据的监 测 。
【主权项】
1. 一种基于贪心思想的三维矿井混合路由算法，其特征在于：该路由算法，首先使用 空间镶嵌理论优化节点部署策略，设置适合煤矿井下的部署方案，然后利用贪心思想优化 网络的分簇路由算法，使用剩余能量以及转播因子作为簇首选举的权值参照，最后确定权 值函数选择最优的下一跳节点，最终形成数据转发的最优路径，降低网络的能量开销和延 时时间；具体步骤如下： (一） 节点部署阶段： (1) 研究煤矿井下空间特征，选取节点空间部署模型； (2) 利用空间镶嵌理论选择适合煤矿井下的填充单元，并对井下空间进行节点的部署； 部署后巷道中节点的坐标表示，X轴表示沿着巷道底部中心轴线距离汇聚节点（sink)的距离，Y表示节点到巷道底部的弧长，Y坐标取值有三种分别为0、 其中r为巷道的 半径； (二） 路由建立阶段： a. 节点成簇过程： (1) 计算网络中节点的阈值T(n);为延长网络生命的周期，平衡节点的能量消耗问题， 在成簇过程中，应尽可能增加剩余能量较高且转播因子较大的节点当选为簇首的概率； (2) 网络中的节点产生一个在0~1之间的随机数，如果这个随机数小于阈值Τ(η)，那 么该节点当选为簇首； (3) 节点被当选为簇首节点后，向周围节点广播自己成为簇首的消息，其他普通节点收 到消息后，根据信号强度等信息，选择最优的簇首加入某个簇，成为该簇的成员； b. 混合路由建立过程： (1) 判断节点的下一跳节点的候选区域范围；将下一跳节点的定向区域定义在顶角为 Θ的圆锥区域内，圆锥的轴线平行于巷道的中心线。本文中Θ=60°，即圆锥母线与巷道 中心线之间的夹角为30°，若两节点所在的直线与巷道中心线之间的夹角Φ小于30°，则 该节点在候选区域中； 根据能量消耗模型，计算节点&传输数据到下一跳节点η,的剩余能量期望值Eji);(2) 使用贪心算法将节点的权值函数P(i，j)作为目标函数，将目标函数从大到小排 列，选择出目标函数最大的节点作为下一跳节点； P(i，j) =aEr(i) + 0E(j) +AS(j) (3) 网络通过局部最下一跳节点确定整体的最优数据传输路线。2. 根据权利要求1所述的基于贪心思想的三维矿井混合路由算法，其特征在于：所述 的空间节点的部署位置部按如下方式确定：将三维空间坐标信息简化为二维坐标，在二维 空间中，X轴表示沿着巷道底部中心轴线距离sink节点的距离，Y表示节点到巷道底部的弧 长，在狭长的巷道中已知两点的坐标分别为叫(Xl， yi)、n] (X]，y])，利用几何知识可以计算出 两个节点之间的距离dlj;3. 根据权利要求1所述的基于贪心思想的三维矿井混合路由算法，其特征在于：所述 的网络节点的阈值Τ(η)由下式确定：其中，Ρ是簇首在所有节点中所占的百分比，r是所进行的选举轮数，rmod(Ι/p)代表的 是这一轮循环中当选过簇首节点的节点个数，(η)为该节点当前的剩余能量，Einit (η) 为该节点的初始能量，G是在这一轮循环中未当选过簇首的节点的集合，Sramnt(η)为当前 节点的转播因子，Savg平均转播因子，q为（0, 1)之间的随机数。4. 根据权利要求1所述的基于贪心思想的三维井下混合路由算法，其特征在于：所述 的混合路由的建立过程，数据传输的下一跳节点选择方式如下： 已知两点η; (Xi,y;)、(χ。，yj，其中叫为源节点，当节点满足下面公式时，贝1J节点η。在h的下一跳节点候选区域中；根据能量消耗模型，计算节点&传输数据到下一跳节点η,的剩余能量期望值Eji);使用贪心算法将节点的权值函数P(i，j)作为目标函数，将目标函数从大到小排列，选 择出目标函数最大的节点作为下一跳节点，权值函数P(i，j)的表达式如下： P(i，j) =aEr(i) + 0E(j) +AS(j) 其中α、β、λ为常数参数，且α+β+λ= 1 ;节点根据权值函数选取局部最优的下一 跳节点，局部最优解组合起来得到数据传输的最佳路径。
【专利摘要】一种基于贪心思想的三维矿井混合路由算法，属于煤矿井下无线传感器网络数据传输路由算法。首先使用空间镶嵌理论优化节点部署策略，设置适合煤矿井下的部署方案，然后利用贪心思想优化网络的分簇路由算法，使用剩余能量以及转播因子作为簇首选举的权值参照，最后确定权值函数选择最优的下一跳节点，最终形成数据转发的最优路径，降低网络的能量开销和延时时间。利用贪心思想设计具有全局能量高效且均衡、时延较小的无线传感器网络路由算法；根据空间镶嵌理论选用三角棱柱进行三维空间填充，在确定节点位置时将三维空间转换为二维表示。通过感知节点的剩余能量和转播因子进行分簇，在建立簇间路由时利用贪心思想实现簇首与基站最优路径多跳通信。
【IPC分类】H04W84/18, H04W40/10, H04W40/22
【公开号】CN105307230
【申请号】CN201510605225
【发明人】李晓波, 赵作鹏
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月21日