一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，该方法运行于地铁隧道内壁上设置的汇聚节点和传感器节点，该方法具体包括：隧道三维空间模型的建立步骤；基于固定节点的网络初始化步骤；基于节点剩余能量和节点位置的分簇形成步骤；基于网络服务质量QoS、节点剩余能量、节点位置的簇间多跳路由建立步骤。与现有技术相比，本发明采用基于节点剩余能量和簇半径的簇头竞争算法以完成非均匀分簇，综合考虑簇结构、节点剩余能量和链路误码率以优化超长线状中的多跳路径。
【专利说明】一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线网络路由方法，尤其是涉及一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法。
【背景技术】
[0002]在隧道结构监测应用中，传感器节点的位置由监测任务而定，它们布置于长线形隧道内环壁。这些都直接影响了无线传感器网络拓扑结构，使其具有长线形、分布式等特点。
[0003]由麻省理工学院的Heinzelman W R等人提出的低功耗自适应分簇路由算法LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是后续大部分分族路由算法的基础。LEACH算法引入“轮”的概念，每轮包括初始化阶段和稳定传输阶段。在初始化阶段随机的形成簇头，每个节点会产生一个O?I之间的随机数，如果该值小于阀值T (η)，则成为簇头。
[0004]EECS也采用“轮”机制，簇头与汇聚节点间采用单跳通信，其重点主要放在成簇阶段。EECS同时考虑簇内距离因子和簇头到汇聚节点的距离因子，将远离汇聚节点的簇划分得较小。EECS实现非均匀分簇，较远的簇头具有较小的分簇结构，更多的能量用于和汇聚节点间的长距离单跳通信。通过调节加权系数调节节点能耗和簇头能耗之间的平衡。
[0005]但现有的无线传感器网路协议都不适用于隧道结构监测应用。由于隧道长线形结构和应用需求，隧道结构监测应用呈现能量异构的特性，且需要一定的QoS保障。为了克服前述并且其它缺陷，需要一种适用于超长线状地铁隧道的路由协议。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，该方法运行于地铁隧道内壁上设置的汇聚节点和传感器节点，该方法具体包括:
[0009]隧道三维空间模型的建立步骤；
[0010]基于固定节点的网络初始化步骤；
[0011]基于节点剩余能量和节点位置的分簇形成步骤；
[0012]基于网络服务质量QoS、节点剩余能量、节点位置的簇间多跳路由建立步骤。
[0013]所述的隧道三维空间模型的建立步骤具体为:
[0014]把一定长度的三维柱状隧道摊开成二维矩形平面，将三维空间坐标系转换成二维空间坐标系，计算利用隧道二维距离公式来计算两点间的三维空间距离:
- — Γ^2*
\y.—y I
(x,-Xj)2 + 2i?sin ~ -yj ^ nR
IV J_
[0015]dn =*< _________—
JT ^ Z ^
/ 、2 μ.y^yj』
^ (X1-Xj) + 2Rsm π>nR
J L \ /J
[0016]式中，Clij为节点IIi与IIj之间的三维空间距离，(Xi，Yi)为节点IIi在二维矩形平面内的坐标，(Xj, Yj)为节点Hj在二维矩形平面内的坐标，R为隧道半径。
[0017]所述的网络初始化步骤具体为:
[0018]汇聚节点广播“Init_All”信息，所有传感器节点逐级更新其邻居节点表。
[0019]所述的传感器节点逐级更新其邻居节点表具体为:
[0020]a)接收到“ Init_All ”信息的传感器节点按一定功率局部广播“Neighbor”信息，此信息包含发射节点的ID ；
[0021]b)其余任何节点接收到“Neighbor”信息时，将该信息中包含的ID列入本节点的邻居节点表内，同时局部广播“Neighbor”信息；
[0022]c)直至所有传感器节点均广播过一次“Neighbor”信息。
[0023]所述的邻居节点表保存的信息包括:本节点ID、节点剩余能量和所有邻居节点信肩、O
[0024]所述的分簇形成步骤具体为:
[0025]I)选取候选簇头:根据所有传感器节点剩余能量及设定的候选簇头比例系数，选取若干个高剩余能量的节点作为候选簇头节点，并对每个候选簇头节点设置一个簇半径，将非候选簇头节点称为普通节点；
[0026]2)选取簇头:
[0027]201)所有候选簇头节点根据其邻居节点表和簇半径，计算每个候选簇头节点的DTi,标记最小DTi对应的候选簇头节点为簇头,把簇半径范围内的所有传感器节点标记为候选簇内节点；
[0028]所述的DTi指候选簇头节点与其簇半径范围内所有传感器节点的距离平方和的平均值；
[0029]202)剩余候选簇头计算DTi,并确定簇头和候选簇内节点；
[0030]203)直到计算到设定簇头数为止；
[0031]3)成簇:簇头在其簇半径内广播本节点的ID，接收到ID的传感器节点按先后顺序记录ID，并从中选择信号强度最大的ID，向此ID对应的簇头发送请求成为簇内成员信息和自己的ID ；
[0032]未收到簇头ID的传感器节点自动变为簇头。
[0033]所述的簇间多跳路由建立步骤具体为:
[0034]某个簇头读取邻居节点表,获取自身节点当前剩余能量和邻居节点信息；计算当前簇头与邻居节点表中的所有邻居簇头间的代价函数；选取代价函数最小的邻居簇头作为当前簇头的中继节点。
[0035]所述的代价函数为某簇头i与其某一邻居簇头j间的关系函数，具体计算如下:
【权利要求】
1.一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，该方法运行于地铁隧道内壁上设置的汇聚节点和传感器节点，该方法具体包括: 隧道三维空间模型的建立步骤； 基于固定节点的网络初始化步骤； 基于节点剩余能量和节点位置的分簇形成步骤； 基于网络服务质量QoS、节点剩余能量、节点位置的簇间多跳路由建立步骤。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的隧道三维空间模型的建立步骤具体为: 把一定长度的三维柱状隧道摊开成二维矩形平面，将三维空间坐标系转换成二维空间坐标系，计算利用隧道二维距离公式来计算两点间的三维空间距离:(Xf-Xi)1+ IRsin Ι?-^1 I ,卜卜?ri?.1.1 2R JJ
dv=\ ~^——-——;-
Γ { k-v.nl ,,
(X1 -Xj)1 + 2i?sin π-?一^^ ^yl.1 Lk Al 式中，Clij为节点Ili与Ilj之间的三维空间距离，(Xi，Yi)为节点Ili在二维矩形平面内的坐标，(Xj, Yj)为节点Iij在二维矩形平面内的坐标，R为隧道半径。
3.根据权利要求1所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的网络初始化步骤具体为: 汇聚节点广播“ Init_All ”信息，所有传感器节点逐级更新其邻居节点表。
4.根据权利要求3所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的传感器节点逐级更新其邻居节点表具体为: a)接收到“Init_All”信息的传感器节点按一定功率局部广播“Neighbor”信息，此信息包含发射节点的ID ； b)其余任何节点接收到“Neighbor”信息时，将该信息中包含的ID列入本节点的邻居节点表内，同时局部广播“Neighbor”信息； c)直至所有传感器节点均广播过一次“Neighbor”信息。
5.根据权利要求4所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的邻居节点表保存的信息包括:本节点ID、节点剩余能量和所有邻居节点信息。
6.根据权利要求5所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的分簇形成步骤具体为: 1)选取候选簇头:根据所有传感器节点剩余能量及设定的候选簇头比例系数，选取若干个高剩余能量的节点作为候选簇头节点，并对每个候选簇头节点设置一个簇半径，将非候选簇头节点称为普通节点； 2)选取簇头: 201)所有候选簇头节点根据其邻居节点表和簇半径,计算每个候选簇头节点的DTi,标记最小DTi对应的候选簇头节点为簇头,把簇半径范围内的所有传感器节点标记为候选簇内节点；所述的DTi指候选簇头节点与其簇半径范围内所有传感器节点的距离平方和的平均值； 202)剩余候选簇头计算DTi,并确定簇头和候选簇内节点； 203)直到计算到设定簇头数为止； 3)成簇:簇头在其簇半径内广播本节点的ID,接收到ID的传感器节点按先后顺序记录ID,并从中选择信号强度最大的ID，向此ID对应的簇头发送请求成为簇内成员信息和自己的ID ； 未收到簇头ID的传感器节点自动变为簇头。
7.根据权利要求6所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的簇间多跳路由建立步骤具体为: 某个簇头读取邻居节点表，获取自身节点当前剩余能量和邻居节点信息；计算当前簇头与邻居节点表中的所有邻居簇头间的代价函数；选取代价函数最小的邻居簇头作为当前簇头的中继节点。
8.根据权利要求7所述的一种适用于地铁隧道的非均匀分簇路由方法，其特征在于，所述的代价函数为某簇头i与其某一邻居簇头j间的关系函数，具体计算如下:
式中，En(Hi)为簇头i的η个邻居簇头的平均剩余能量，E(Hj)为邻居簇头j的剩余能量，Clij为簇头i与邻居簇头j间的距离，为簇头i与汇聚节点之间的距离，Ltl为簇头i与邻居簇头j之间的链路误码率，匕、b2、b3分别为能量项、距离项和链路质量项的权重系数，其值为O~I。
【文档编号】H04W40/10GK104135751SQ201410110917
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】何斌, 李刚 申请人:同济大学