一种基于贪心思想的三维矿井混合路由算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤矿井下无线传感器网络数据传输路由算法，特别是一种基于贪 心思想的三维矿井混合路由算法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WSNs)作为新兴技术之一，对社会生活具有极大的影响，煤矿井 下环境十分复杂，有线监控方式难以实现有效、全面的监测，这样将使煤矿生产留下巨大的 安全隐患，采用无线方式对矿井灾害进行监测可以对有线监控方式难以监测的区域实施有 效的监测。在实际应用中，要求传感器节点在不补充能量的情况下能够长时间工作，影响无 线传感器网路生存周期的因素很多，其中节点的部署方案将直接影响数据收集、网络生存 周期等性能，尚效的路由算法也能够极大的提尚WSNs的可扩展性和延长网络生存周期。
[0003]目前，专家对于无线传感器网络节点部署的研究比较多，有针对节点部署时的覆 盖问题，提出的可以满足不同覆盖率要求的节点部署算法，该算法可以最大化节点的覆盖 效率，但是没有针对三维空间进行节点部署覆盖；另外还有基于空间镶嵌理论进行空间填 充覆盖的，可以达到空间覆盖的要求，但是该算法没有解决特定的狭长空间的节点部署问 题。在前面的研究中已经提出了多种路由协议，主要的是平面路由协议和分层路由协议，研 究表明，分层路由协议能够显著地提高网络生命周期，其中分簇路由协议在分簇算法上已 经做了充分的优化改进，但是在路由传输阶段还存在问题，由前期的单跳通信发展到后期 的多跳通信，但是在路径最优化还是存在问题。我国煤矿事故多发，煤矿安全监测系统尤为 重要，针对煤矿特殊的环境建立适合的节点部署方案，设计符合煤矿特点的路由协议算法 非常重要。
[0004] 空间镶嵌来自景观生态学，景观是生态学和地理学的交叉概念，指有相互作用的 生态系统镶嵌构成，并以类似形式重复出现，具有高度空间异质性的区域。区域由互不重复 且对比性强的基本结构单元构成，其镶嵌体的主要特征是可辨识性、空间重复性和异质性。 根据空间镶嵌理论，具有规则面的空间填充多面体有：三角棱柱、六角棱柱、立方体、截八面 体和Johnson固体第26号，结合煤矿井下的结构特点，选择三角棱柱进行空间镶嵌。贪心 算法是指在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择，也就是说，不从整体最优上 加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是要提供一种能量开销小、均衡性好且时延较小的基于贪心思想的三 维矿井混合路由算法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明路由算法采用以下技术方案：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；
[0007] 具体步骤如下：
[0008] 1.节点部署阶段：
[0009] (1)研究煤矿井下空间特征，选取节点空间部署模型；
[0010] (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、4；ζτ、πr，其中 r为巷道的半径；
[0011] 2.路由建立阶段：
[0012] a.节点成簇过程：
[0013] (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；
[0014] (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；
[0015] (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；
[0016] b.混合路由建立过程：
[0017] (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；
[0018] 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；
[0019]
[0020] (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；
[0021] P(i，j) =aEr⑴+i3E(j) +AS(j)
[0022] (3)网络通过局部最优下一跳节点确定整体的最优数据传输路线。
[0023] 所述的空间节点的部署位置部按如下方式确定：
[0024] 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];
[0025]
[0026]所述的网络节点的阈值Τ(η)由下式确定：
[0027]
[0028]
[0029] 其中，p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。
[0030] 所述的混合路由建立过程，数据传输的最优下一跳节点选择方式如下：
[0031] 已知两点njxi,y;)、njUj，yj，其中叫为源节点，当节点满足下面公式时，贝IJ节点 11在η;的下一跳节点候选区域中；
[0032] ? L \.+
y j.
[0033] 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；
[0034]
[0035] 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：
[0036] P(i，j) =aEr ⑴ +βE(j) +λS(j)
[0037] 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。
[0038] 有益效果，由于采用了上述方案，煤矿井下狭长空间特点，使得普通的部署方案不 能达到良好的监测效果，空间镶嵌理论有效的解决了空间部署中的问题。该基于贪心思想 的路由算法在分簇算法的基础上加入剩余能量以及转播因子的因素进行簇首的选举，以此 方法确定的簇首具有较高的剩余能量和较大转播速度，采用贪心算法选择出数据传输的最 优路径。该基于贪心思想的三维矿井路由算法能够最大的减少能量消耗延长网络生命周 期，并能在一定程度上减少传输时延，适合煤矿井下的监测。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明流程不意图。
[0040] 图2是节点部署空间转换关系示意图。
【具体实施方式】
[0041] 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；
[0042] 具体步骤如下：
[0043] 1.节点部署阶段：
[0044] (1)研究煤矿井下空间特征，选取节点空间部署模型；
[0045] (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、、πr，其中r为巷 道的半径；所述的填充单元为三角棱柱，该模型的选取是结合煤矿拱形结构特点以及监测 要求确定的；
[0046] 2.路由建立阶段：
[0047] a.节点成簇过程：
[0048] (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；
[0049] (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；
[0050] (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；
[0051] b.混合路由建立过程：
[0052] (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；
[0053] 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 Er⑴；
[0054]
[0055] (2)使用贪心算法将节点的权值函数P(i，j