CN101557629B - 一种应用于井下无线网络中的高效路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明结合矿井巷道的地形特点，提出一种应用于井下无线网络中的高效路由方法。首先确定井下巷道环境功率估计和路由切换的临界角度和临界距离；发送节点根据邻居节点的位置信息，选择最优的下一跳节点，并根据是近壁传播还是洞中传播，动态调整发送功率；接收节点根据发送节点的方位确定发送节点选择的传播方式并做出相应的接收功率估计；一旦接收节点确定自己为最优转发节点，便压制冗余的RREQ，优先进行RREQ转发处理。同时如果建立的路径中由于某个节点失效导致路径中断，依靠记录的RREQ消息还能找到互补的路径恢复路由。本路由方法充分考虑了井下巷道通信环境的特点，是一种鲁棒性高的自适应地理路由方法。

Description

一种应用于井下无线网络中的高效路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络路由领域，涉及一种应用于井下无线网络中的高效路由方法，应用于矿井巷道等特殊环境下的监控和救灾数据的有效传输。

背景技术

随着无线通信、电子与传感技术的发展，无线传感器网络引起了广泛的应用。无线传感器由具有传感、数据处理和短距离无线通信功能的传感器组成，在军事国防、环境监测、生物医疗，抢险救灾以及商业应用等领域具有广泛的应用前景。

在无线传感器网路的路由设计中，结合空间位置信息，可以进行数据传输路径和转发节点的优化选择，降低传统按需路由中冗余的控制分组，提供绿色可靠的路由信息。

在矿井等特殊环境下进行人员监控和避灾救险，有效稳定的数据通信成为研究重点。依赖地下位置信息设计路由协议，为紧急环境下数据传播路径的选择和切换提供了保障。

传统的路由协议设计都是针对地上室内和室外环境，多采用平面结构和拓扑。但是随着近年来矿难事故的频繁发生，采用传感器网络监控和救灾，需要适合于井下通信的路由协议。目前为止，国内外还没有涉及此方面的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种应用于井下无线网络中的高效路由方法，该方法实现简单，且对于保证无线传感器网络的健壮性、可扩展性以及减少能量消耗等方面具有很大的优势。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于井下无线网络中的高效路由方法，网络中各节点之间的信号传播分为近壁传播和洞中传播2种模式；包括路由切换阶段和数据转发阶段，其特征在于，将巷道模拟为圆柱巷道；定义两个节点间的夹角为节点间向量和圆柱巷道切面的夹角；设定一临界角；临界角定义为影响信号传播方式的节点间向量和圆柱巷道切面夹角的临界值；在路由切换阶段，当两个节点间的夹角小于所述的临界角时，该两节点间的信号传输采用近壁传播模式；当两个节点间的夹角大于或等于所述的临界角时，该两节点间的信号传输采用洞中传播模式。

作为改进，在数据转发阶段，给不同的发送节点赋以转发延迟，对于多个相邻的接收节点，分别计算各个所述接收节点与发送节点之间的夹角，发送节点向夹角小的接收节点转发数据。

作为改进，在数据转发阶段，当一个节点收到一个RREQ(路由请求，RouteRequest)，先侦听，以确保在它的通信半径内，它是第一个收到该RREQ的节点，从而在侦听期后有优先权转发该RREQ；如果该节点在该侦听期内又收到同样的RREQ，该节点将丢弃最先收到的RREQ而不转发。

作为改进，在数据转发时设置互补路径；具体方法为：每个节点在收到最先到的RREQ之后，还要记录一个与此RREQ对应节点间向量垂直的另一个RREQ的转发节点，当其中一个节点失效，采用另一个节点的路由信息进行数据信息发送。

作为改进，所述的近壁传播采用对数距离路径损耗模型传播；所述的洞中传播采用自由空间模型传播。

作为改进，该路由方法所对应的通信网络采用双向部署的拓扑结构，将节点平行等间隔安置在两侧巷道壁上。

本发明的工作原理是：针对现有技术的缺陷，本发明研究矿井等特殊环境下巷道的地形特点，进行数学建模，分析信号在井下传播的特殊性，设计合理的传感器节点部署拓扑节点。根据节点部署的位置信息，尽量选择自由空间的传播模式进行信号传播，避免近壁传播的路径损耗影响。因此设计自适应角度和距离等位置信息的高效路由协议ANDREW(ANDREW：Angle aNd Distance based Routing in Emergent Wireless networks)，进行最优路径选择和数据转发。ANDREW路由协议在实现机制上比较简单，对于保证无线传感器网络的健壮性、可扩展性以及减少能量消耗等方面具有很大的优势。

有益效果：

(1)减少能量消耗

本路由方法根据巷道传播环境选择偏向自由空间传播的特点，可以降低路径损耗，减少传播功耗，选择跳数少的路径最快到达目的节点，降低了通信过程中的能量开销。同时，本方法可以根据是近壁传播还是洞中传播，动态调整发送功率，既能够保证通信的完成，又能尽最大可能减少能量消耗。

本方法通过冗余信息压制机制，将保证发送节点的下一跳邻居节点中只有一个能完成转发，减少了冗余RREQ信息和RREQ的转发时间，既提高了转发效率，也节约了能量。

(2)健壮性好

偏向自由空间传播的路由，降低了井下恶劣传播环境的影响，提供了通信质量。距离和角度信息的引入，有利于选择尽可能优化的传播路径进行通信。另外，由于在数据转发时设置互补路径，因此当一条路径上的数据传输无法继续时，还可以采用互补路径传输数据，不会导致传输中断。因此，本路由方法能有效抵抗干扰，鲁棒性强。

(3)实施简单

所采用的传感器节点不需要进行额外的硬件配置，由于路由具备发送功率和传播距离优化的功能，尽可能降低了传感器节点部署的密度，从而节约了实施成本。同时，本路由具备感知传播环境和适应突变的功能，具有自维护性，无须更多人工维护和干预。因此，本路由方法步骤简单，易于实施。

本发明结合矿井巷道的地形特点，提出一种应用于井下无线网络中的高效路由方法，用于井下监控数据的高效转发和处理。结合双向拓扑结构和节点位置信息，本路由方法包含以下功能：临界角度和临界距离确定、发送功率控制、接收功率估计、路由选择和切换、路由冗余消息压制、互补路由成形。具体步骤为：首先确定井下巷道环境功率估计和路由切换的临界角度和临界距离；发送节点根据邻居节点的位置信息，选择最优的下一跳节点，并根据是近壁传播还是洞中传播，动态调整发送功率；接收节点根据发送节点的方位确定发送节点选择的传播方式并做出相应的接收功率估计；一旦接收节点确定自己为最优转发节点，便压制冗余的RREQ，优先进行RREQ转发处理。同时如果建立的路径中由于某个节点失效导致路径中断，依靠记录的RREQ消息还能找到互补的路径恢复路由。ANDREW路由充分考虑了井下巷道通信环境的特点，是一种鲁棒性高的自适应地理路由协议，非常适合于应用在井下监控和救灾系统。

附图说明

图1矿井巷道切面和传播夹角示意图；

图2建模后的巷道模型以及双向拓扑模式下的节点通信示意图；

图3是互补路径的建立过程示意图；

图4是实施例1中路由方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

首先，采用2.4GHz的传感器节点，以双向拓扑结构部署于井下巷道。将巷道环境抽象为圆柱结构后，无线信号在巷道内的传播可以分为两类：一类是近壁传播，实际情况下，近壁传播会受到巷道凹凸不平的表面结构和材质不一的地质成分干扰，从而路径损耗大，在这种情况下，我们用对数距离路径损耗模型进行信号强度的估计；另一类传播模式是洞中传播，在这种情况下，信号直接跨过巷道空洞，传播到平行部署的节点上，这种传播，不受巷道表面结构的影响，所以可以用自由空间模型进行信号强度估计。路由要求节点尽量选择自由空间模式进行信号传播，一方面可以降低路径损耗，另一方面在相同传输功率下，自由空间模型比对数距离路径损耗模型传播的距离远。同时，在相同接收门限下，传播相同的距离，洞中传播比近壁传播需要的功耗小，可以达到节约传感器节点的目的。本路由方法根据巷道传播环境选择偏向自由空间传播的特点，可以降低路径损耗，减少传播功耗，选择跳数少的路径最快到达目的节点。

根据巷道中的这种传播机制，结合节点间的角度和距离关系，设计了一套路由机制用于路径选择和消息转发。其步骤如下：

a.在路由切换阶段，引入临界角这一尺度。临界角定义为影响信号传播方式的节点间向量和圆柱巷道切面夹角的临界值。当节点间夹角小于临界角时，信号的传播方式主要为近壁传播，考虑到巷道壁表面的地质特征，采用对数距离路径损耗模型估计接收信号强度比较准确；当节点间夹角大于等于临界角时，信号的传播方式主要为洞中传播，信号在洞中传播收到的地质环境干扰下，采用自由空间模型估计接收信号强度比较准确。当给定接收门限时，传播相同的距离，自由空间传播比近壁传播受到的损耗和干扰小，因此，即使自由空间模型中发送节点采用比对数距离路径损耗模型更小的发送功率，也能在接收节点得到接收门限以上的接收功率。根据以上原理，当发送节点发现下一跳邻居节点中有一个夹角大于等于临界角时，它判定为可以采用自由空间传播，降低发送功率；当发送节点找不到夹角大于等于临界角的邻居节点时，它判定采用对数距离路径损耗传播，增大发送功率。ANDREW中定义接收门限为2.8×10^-11瓦，自由空间模型和对数距离路径损耗模型中具体的发送功率根据不同的传播距离动态调整。

对数距离路径损耗模型是一种干扰环境下有效的信号估计模型，其路径损耗模型公式如下：

$\mathrm{PL}\left(d\right)=[{\mathrm{PL}}_0+10\mathrm{\γ}{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)]+S\left(d\right);d\≥d_0;$

d是发送节点和接收节点之间的距离，PL(d)是在d的路径损耗，d₀是参考距离，PL₀是在d₀的路径损耗，γ表示路径损耗指数，S表示均值为0、标准偏差为σ的对数正态随机阴影成分。通常情况下，取d₀＝1m。

根据对数距离路径损耗模型的特点，临界角的确定也取决于平均传播干扰的程度，即巷道壁粗糙程度的均值。假设巷道壁平均凹凸在垂直于巷道壁方向的距离为BC，信号传播平行于巷道壁方向的距离为AB，则临界角的值表示如下：

$\∠\mathrm{BAC}=\arctan (\stackrel{\→}{\mathrm{BC}},\stackrel{\→}{\mathrm{AB}})$

一般临界角值可取定为5度，根据不同井下环境巷道壁的平均粗糙程度，可适当调整具体的临界角。

在接收端，接受门限为能正确接收和解调信号的一个门限值，通常情况下由用户定义的误比特率或者误码率决定。误比特率或者误码率越低，则要求接受门限越高，这样才能正确接收有效的信号。

b.在消息转发阶段，一个接收节点可能收到来自不同节点的重复消息，或者同一节点的多个消息，形成不必要的冗余接收信息，影响转发的效能。本发明充分利用洞中的自由空间传播方式，提出一种基于角度和距离的转发算法，给不同的节点赋以不同的转发延迟。发送节点和接收节点的夹角定义为两点连线和圆柱切面的夹角。给定临界角，在夹角大于临界角，选择自由空间传播时，采用与发送节点夹角小的接收节点转发数据，意味着该数据一跳传播的更远，同时到达目的节点需要的跳数和时间更少。同时考虑节点距离的因素，保证不会选择间距大于有效通信半径的节点转发。

c.冗余信息压制阶段，当一个节点收到一个RREQ(路由请求，Route Request)，并不立即转发，而是侦听一段时间，以确保在它的通信半径内，它是第一个收到该RREQ的节点，从而在侦听期后有优先权转发该RREQ。如果节点在这个侦听期内又收到同样的RREQ，它将意识到有其他节点更早收到该RREQ并已经转发。那么该节点将丢弃该RREQ而不转发。因此，ANDREW将保证发送节点的下一跳邻居节点中只有一个能完成转发，减少了冗余RREQ信息和RREQ的转发时间。

d.互补路径成形阶段，当其中一条路径因为某些节点损坏而失效，要求数据能够快速切换到另外一个互补路径，继续利用自由空间传播模型通信。为了形成互补路径，每个节点在收到最先到的RREQ之后，还要记录一个与此RREQ对应节点间向量垂直的另一个RREQ的转发节点。这样利用向量垂直互补的关系，可以在一个节点失效的情况下，采用另一个节点的路由信息进行数据信息发送。

如图1～4所示，由于矿井巷道内部的实地地形类似于圆柱巷道，因此可以抽象为图1和图2所示模型。

图1显示了矿井巷道抽象为圆柱模型后，圆柱巷道切面和传播夹角的关系。设A，B为进行通信的两个节点，点A，B，E都是巷道壁上的点，面ABE为圆柱巷道的截面，过A点引圆柱巷道的切面T，AC和BD都垂直于切面T，角∠BAD为传播路径AB与切面T的夹角。

在图2中，节点部署采用双向结构。节点部署在巷道壁上两条平行线上，与天线的高度大概一致。奇数序号节点布置在一条线上，偶数序号节点布置在另一边。设SIZE_X表示为巷道的长度，SIZE_Y表示为巷道的高度。在X轴方向，节点依顺序间距大致相同，为SIZE_X/(N_s-1)米。比如1号节点的坐标是(0，SIZE_Y/2，0)，2号节点的坐标是(SIZE_X/(N_s-1)，-SIZE_Y/2，0)，因此，分布在同一边线上的节点间距为2SIZE_X/(N_s-1)米。采用自由空间和对数距离路径损耗两种传播方式，临界距离定义为两者模型的接收功率一样时对应的传播距离，临界角度定义为可绕过最大表明阻挡的近似角度。在图2中，在自由空间传播模式中，AB与圆柱切面角度小于AC与圆柱切面角度，B点收到A的信号后，具有转发的优先权，B将数据信息转发到D，同时压制了点C的转发。

图3所示为路径损坏情况下，互补路径的选择和建立。在恶劣的井下通信中，特别是当矿难事故发生的时候，虽然ANDREW能找到一个最优的路径从源节点到目的节点。仍然需要提供几条互补路径用于平衡能量消耗和节点失效情况下的快速路由恢复。图3中为两条互补的路径。当其中一条路径损坏后，数据能够快速切换到另外一个互补路径，继续利用自由空间传播模型通信。为了形成互补路径，ANDREW的机制如下：假设节点C已经收到了从节点A转发来的RREQ，在C转发之前，它收到了另一个来自B的相同的RREQ。如果向量AB近似与向量AC垂直，那么C将记录来自A和来自B的这两条路由信息。当在紧急情况下，图中画叉的节点损坏导致路径中断，节点C将听到节点A的节点错误报告，因此C将取代节点A采用节点B提供的路由传输数据。这样，ANDREW便能形成理想的互补路径。

图4是ANDREW路由的执行流程图。在每个节点确定好自己的坐标，并且所有节点坐标信息已知后，发送节点开始发送数据。在发送数据的过程中，依照是否有邻居节点与自己形成的向量跟圆柱切面间的夹角大于临界角，而决定是采用自由空间传播模型还是采用对数距离路径损耗模型。当采用自由空间传播模式时，发送节点相应调小发送功率以节约能量。发送节点偏向于采用自由空间传播来减少路径损耗。接收节点收到发送的数据后，不立即转发，而是先侦听一段时间，如果在这段时间没有再收到重复的消息，接收节点确定自己是最先收到该数据的节点，因此完成转发。如果在侦听的过程中，又收到相同的消息，说明已经有其他节点完成了该消息的转发，则压制该消息不转发，并删除冗余信息。

Claims (5)

1.一种应用于井下无线网络中的高效路由方法，网络中各节点之间的信号传播分为近壁传播和洞中传播2种模式；包括路由切换阶段和数据转发阶段，其特征在于，将巷道模拟为圆柱巷道；定义两个节点间的夹角为节点间向量和圆柱巷道切面的夹角；设定一临界角；临界角定义为影响信号传播方式的节点间向量和圆柱巷道切面夹角的临界值；在路由切换阶段，当两个节点间的夹角小于所述的临界角时，该两节点间的信号传输采用近壁传播模式；当两个节点间的夹角大于或等于所述的临界角时，该两节点间的信号传输采用洞中传播模式，所述的近壁传播采用对数距离路径损耗模型传播；所述的洞中传播采用自由空间模型传播。

2.根据权利要求1所述的应用于井下无线网络中的高效路由方法，其特征在于，在数据转发阶段，给不同的发送节点赋以转发延迟，对于多个相邻的接收节点，分别计算各个所述接收节点与发送节点之间的夹角，发送节点向夹角小的接收节点转发数据。

3.根据权利要求1所述的应用于井下无线网络中的高效路由方法，其特征在于，在数据转发阶段，当一个节点收到一个路由请求RREQ，先侦听，以确保在它的通信半径内，它是第一个收到该路由请求RREQ的节点，从而在侦听期后有优先权转发该路由请求RREQ；如果该节点在该侦听期内又收到同样的路由请求RREQ，该节点将丢弃最先收到的路由请求RREQ而不转发。

4.根据权利要求1所述的应用于井下无线网络中的高效路由方法，其特征在于，在数据转发时设置互补路径；具体方法为：每个节点在收到最先到的路由请求RREQ之后，还要记录一个与此路由请求RREQ对应节点间向量垂直的另一个路由请求RREQ的转发节点，当其中一个节点失效，采用另一个节点的路由信息进行数据信息发送。

5.根据权利要求1所述的应用于井下无线网络中的高效路由方法，其特征在于，该路由方法所对应的通信网络采用双向部署的拓扑结构，将节点平行等间隔安置在两侧巷道壁上。

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