CN102905280B - 一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法 - Google Patents

Abstract

一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法，属于无线网络路由及覆盖方法。该方法包括如下步骤：网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成，采用感知传输分离路由路径与节点对称紧缩布置相结合的组网方式；网络初始工作时，感知节点簇获得的参数发送到对应的传输节点簇，选择最短路由路径到基站，根据节点能耗模型计算节点间距，对感知节点簇和传输节点簇的节点进行对称紧缩布置；在部分节点失效时，根据综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线。本发明将综采工作面参数监测任务分散到各感知节点簇，并且在部分节点失效时能够进行有效的工作，提高综采工作面无线传感器网络性能。

Description

一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法

技术领域

本发明专利涉及一种无线网络路由及覆盖方法，特别是一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法。

背景技术

随着煤矿向自动化、数字化以及智能化方向发展，煤矿安全监测尤其是综采工作面参数监测成为研究热点。当前综采工作面参数主要采用单点巡检或者有线网络的方式，前者存在监测点单一、实时性差等缺点，而后者存在网络自适应差、可靠性低、安装维护复杂等缺点。

随着电子技术、通信技术与组网技术的发展，无线节点具有成本低、体积小的特点，易于通过无线的方式形成一个自组织网络系统，协作完成监测区域内的参数感知、数据处理、网络通信等任务，能够满足综采工作面参数监测的实际需求。无线传感器网络应用到综采工作面的参数监测，对提高工作面信息感知能力、减少事故发生具有意义，但是由于无线传感器节点由电池供电，节点能量受限；而且综采工作面为狭长区域的特殊场景，形成了综采工作面无线传感器网络这类特殊的拓扑结构，其存在网络长度方向上能量消耗不均衡的现象，而且出现部分节点失效时能致使整个网络无法有效工作，从而降低了网络的性能。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种能够均衡网络通信任务，平衡无线节点能量消耗，提高网络性能的一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

1）综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成；

2）在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表；

3）确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置；

4）在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线。

在步骤1）中，所述的综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成，具体为：

1）感知节点簇由感知节点组成，负责获取综采工作面参数；所有感知节点被分割成多个独立工作的感知节点簇，布置在网络一边；

2）传输节点簇由传输节点组成，负责数据的发送；所有传输节点被分割成与感知节点簇相同数量的传输节点簇，布置在网络的另一边；

3）双基站布置在综采工作面两端，负责接收来自传输节点簇的数据。

在步骤2）中，所述的在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表，具体为： 

1）每个感知节点簇内的感知节点采集的综采工作面参数，从感知节点簇两端汇聚到簇中心节点，形成感知节点簇内聚拢的路由路径；

2）每个感知节点簇中心节点将所有数据传输给对应的传输节点簇的簇首节点，再由其选择最短路由路径传输到对应的基站，形成传输节点簇间分流的路由路径；

3）感知节点簇主要进行感知信息，而传输节点簇传输信息，建立感知传输分离的路由路径，形成综采工作面网络无线节点的路由维护表。

在步骤3）中，所述的确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置，具体为：

1）基于感知节点簇内路由路径及节点数据转发量，计算感知节点簇内节点间距，节点间距以感知节点簇中心节点为对称中心渐减，进行感知节点簇节点的内紧缩布置；

2）基于传输节点簇间路由路径及节点数据转发量，计算各传输节点簇间节点间距，节点间距以网络中心为对称中心渐减少，进行传输节点簇间节点的外紧缩布置。

在步骤4）中，所述的在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线，具体为：

1）当感知节点簇内节点失效时，该失效感知节点的邻居节点与其较远的感知节点簇的簇首节点进行连通，传输节点簇正常工作；

2）当传输节点簇内节点失效时，该失效传输节点一端的邻居节点失效，另一端的邻居节点选择相反的方向与基站进行连通，感知节点簇正常工作。

有益效果，由于采用了上述方案，提出了一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法。针对综采工作面拓扑结构和特定的监测任务，通过采用路由路径规划、节点分簇、节点覆盖布置等技术，提高综采工作面无线传感器网路的性能。综采工作面采用双基站设计，感知节点和传输节点在综采工作面采用异边布置，并被分割成多个簇；在网络初始工作时，感知节点簇获得的参数从簇两边向簇中心节点汇聚，传输到传输节点簇首节点后，通过相邻的传输节点簇选择最短路由路径到对应的基站；根据无线节点能耗模型和数据转发量，计算节点的间距，并对节点进行布置；而在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，能够重新选择无线数据在综采工作面的传输路线，使网络部分连通，继续完成监测任务。通过建立初始路由路径、节点优化覆盖布置以及部分节点失效时路由路径的重新选择，能够提高综采工作面无线传感器网络的性能。

附图说明

图1是本发明综采工作面网络节点拓扑结构图。

图2是本发明的网络初始工作时感知节点簇和对应的传输节点簇间的路由路径图。

图3是本发明的网络初始工作时传输节点簇与基站间的路由路径图。

图4是本发明的部分节点失效时网络路由路径图。

图5是本发明综采工作面无线传感器网络路由与覆盖方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：本发明方法的具体步骤如下：

1）综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成；

2）在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表；

3）确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置；

4）在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线。

在步骤1）中，所述的综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成，具体为：

1）感知节点簇由感知节点组成，负责获取综采工作面参数；所有感知节点被分割成多个独立工作的感知节点簇，布置在网络一边；

2）传输节点簇由传输节点组成，负责数据的发送；所有传输节点被分割成与感知节点簇相同数量的传输节点簇，布置在网络的另一边；

3）双基站布置在综采工作面两端，负责接收来自传输节点簇的数据。

在步骤2）中，所述的在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表，具体为： 

1）每个感知节点簇内的感知节点采集的综采工作面参数，从感知节点簇两端汇聚到簇中心节点，形成感知节点簇内聚拢的路由路径；

2）每个感知节点簇中心节点将所有数据传输给对应的传输节点簇的簇首节点，再由其选择最短路由路径传输到对应的基站，形成传输节点簇间分流的路由路径；

3）感知节点簇主要进行感知信息，而传输节点簇传输信息，建立感知传输分离的路由路径，形成综采工作面网络无线节点的路由维护表。

在步骤3）中，所述的确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置，具体为：

1）基于感知节点簇内路由路径及节点数据转发量，计算感知节点簇内节点间距，节点间距以感知节点簇中心节点为对称中心渐减，进行感知节点簇节点的内紧缩布置；

2）基于传输节点簇间路由路径及节点数据转发量，计算各传输节点簇间节点间距，节点间距以网络中心为对称中心渐减少，进行传输节点簇间节点的外紧缩布置。

在步骤4）中，所述的在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线，具体为：

1）当感知节点簇内节点失效时，该失效感知节点的邻居节点与其较远的感知节点簇的簇首节点进行连通，传输节点簇正常工作；

2）当传输节点簇内节点失效时，该失效传输节点一端的邻居节点失效，另一端的邻居节点选择相反的方向与基站进行连通，感知节点簇正常工作。

本实施例用于一个由L*W的综采工作面区域，该网络所有节点都有自己唯一的标识，且所有节点在部署之后不再移动，感知节点和传输节点的能量有限，而基站能量不受限，无线节点的发射功率根据节点间间距进行调节。

在图1中，综采工作面无线节点由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成。感知节点布置在网络的一边，并根据综采工作面长度和监测任务被分割成若干个感知节点簇，所有感知节点簇都是独立地进行监测综采工作面参数；而传输节点被布置在网络的异边，根据感知节点簇数量传输节点被分割成对应的传输节点簇，且每个感知节点簇对应一个传输节点簇，传输节点簇仅负责传输其对应感知节点簇所获得的参数及其前一个传输节点簇所传输的参数；所有综采工作面参数都将汇聚到端首和端尾的基站，由感知节点簇、传输节点簇和双基站构成了综采工作面无线传感器网络。

在图2中，本发明网络初始工作时，感知节点簇与其对应的传输节点簇间的路由路径步骤如下：

感知节点簇SNC _i 的簇两端头节点感知到本地信息后，按相反方向传递给其邻居节点，邻居节点连同自身感知到的信息，传递给感知节点簇中心节点，分别从感知节点簇两端头节点向簇中心节点汇聚，具体实现为SN 1 i→SN 2 i…→SN (ns+1)/2 i←…SN ns-1 i→SN ns i，完成了感知节点簇内聚拢的路由路径。感知节点簇中心节点将汇集来的所有感知信息，无线发送给传输节点簇TNC _i 簇首节点，继而沿其邻居节点传输直到传输节点簇尾节点，具体实现为SN (ns _i +1)/2 i→TN 1 i→TN 2 i…→TN nt-1 i→TN nt i，完成了感知节点簇到传输节点簇的路由路径规划。至此，建立了感知节点簇主要进行感知信息和传输节点簇传输信息的感知传输分离的路由路径。

在图3中，本发明网络初始工作时，传输节点簇和基站间的路由路径步骤如下：

综采工作面所有感知节点簇SNC ₁, SNC ₂,…, SNC _m 的簇中心节点获取的参数，传递给对应的传输节点簇TNC ₁, TNC ₂,…, TNC _m 的簇首节点，继而基于最短路径传输节点簇选择最邻近的基站进行数据传输，网络左L _m/2链长的参数传递给左基站BSN ₁，具体实现为TNC _m/2→TNC _m/2-1…→TNC ₁→BSN ₁；而网络右L _m/2链长的参数传递给右基站BSN ₂，具体实现为TNC _m/2+1→TNC _m/2+2…→TNC _m →BSN ₂，形成传输节点簇间参数向双基站分流的路由路径。

根据图2和图3所示，本发明感知节点簇和传输节点簇内节点覆盖方法步骤如下：

对于综采工作面网络节点能量消耗，仅节点发送的数据量和接收的数据量不同，因此，在无线节点的能耗模型下，来计算无线节点间距并进行节点布置。

首先，感知节点簇两端头节点向邻居节点发送k bits的数据量，根据上面方法所述的感知节点簇内聚拢汇聚的路由路径，感知节点簇中心节点接收(nsi-1)k bits的数据量，继而向该感知节点簇对应的传输节点簇传输nsi*k bits的数据，从感知节点簇一端到簇心，继而到簇另一端头，无线节点转发的数据量先增加后减少。基于无线节点能耗模型，感知节点簇内节点间距先减少后增加，才能达到簇内节点局部能耗平衡。因此，以感知节点簇的簇心节点为对称中心节点间距递减，进行感知节点簇节点的内紧缩布置。

其次，传输节点簇首节点接收到nsi*k bits的数据量，根据上面方法所述的传输节点簇间参数向双基站分流的路由路径，每个传输节点簇要传输该簇和该簇前面所有传输节点簇的数据量，即分别与左基站和右基站进行无线通信的传输节点簇TNC ₁和TNC _m 的传输数据量最大。基于节点能耗模型，传输节点簇的节点间距在减少，才能达到网络整体能耗平衡。因此，以网络中心点为对称中心传输节点簇间间距渐减，进行传输节点簇节点的外紧缩布置。

图4为本发明的部分节点失效时网络路由路径图。由于无线节点布置在综采工作面，容易受到外界破坏而失效，需要在部分节点失效时重新建立路由路径。在感知节点簇内有节点失效时，该失效节点一端的邻居节点到与其较近的感知节点簇首节点无法连通，另一端的邻居节点与其较远的感知节点簇首节点正常连通，而其余的感知节点簇和传输节点簇正常工作；在传输节点簇内有节点失效时，该失效节点一端的邻居节点失效，另一端的邻居节点选择相反的方向与基站进行连通，所有的感知节点簇正常工作。

图5为本发明综采工作面无线传感器网络路由与覆盖方法流程图。首先确定综采工作面地理信息和参数感知要求后，在综采工作面端首和端尾布置基站，再进行感知节点和传输节点传输路线的路由路径规划，即感知节点簇内聚拢汇聚和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络最短路由表；基于无线节点能耗模型和数据转发量，计算感知节点和传输节点的节点间距，并进行节点布置，完成综采工作面网络的构建；当部分节点失效时，基于网络可连通性重新建立新的路由路径，直到网络无法继续工作为止。至此，完成综采工作面参数的监测。

本发明所述的一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法，主要由感知节点簇、传输节点簇和双基站构成，通过建立最短路由路径及节点优化覆盖布置，能够均衡综采工作面网络节点通信任务，平衡无线传感器节点的能量消耗，提高综采工作面无线传感器网络性能。

Claims (1)

1.一种综采工作面无线传感器网络路由及覆盖方法，其特征在于该方法步骤如下：

步骤1）综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成；

步骤2）在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表；

步骤3）确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置；

步骤4）在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线；

在步骤1）中，所述的综采工作面无线传感器网络由感知节点簇、传输节点簇和双基站组成，具体为：

1）感知节点簇由感知节点组成，负责获取综采工作面参数；所有感知节点被分割成多个独立工作的感知节点簇，布置在网络一边；

2）传输节点簇由传输节点组成，负责数据的发送；所有传输节点被分割成与感知节点簇相同数量的传输节点簇，布置在网络的另一边；

3）双基站布置在综采工作面两端，负责接收来自传输节点簇的数据；

在步骤2）中，所述的在网络初始工作时，建立感知节点簇内聚拢的路由路径和传输节点簇间分流的路由路径，形成综采工作面网络节点的路由维护表，具体为： 

1）每个感知节点簇内的感知节点采集的综采工作面参数，从感知节点簇两端汇聚到簇中心节点，形成感知节点簇内聚拢的路由路径；

2）每个感知节点簇中心节点将所有数据传输给对应的传输节点簇的簇首节点，再由其选择最短路由路径传输到对应的基站，形成传输节点簇间分流的路由路径；

3）感知节点簇主要进行感知信息，而传输节点簇传输信息，建立感知传输分离的路由路径，形成综采工作面网络无线节点的路由维护表；

在步骤3）中，所述的确定无线节点数据转发量，计算感知节点簇和传输节点簇节点间距，并对节点进行覆盖布置，具体为：

1）基于感知节点簇内路由路径及节点数据转发量，计算感知节点簇内节点间距，节点间距以感知节点簇中心节点为对称中心渐减，进行感知节点簇节点的内紧缩布置；

2）基于传输节点簇间路由路径及节点数据转发量，计算各传输节点簇间节点间距，节点间距以网络中心为对称中心渐减少，进行传输节点簇间节点的外紧缩布置；

在步骤4）中，所述的在部分节点失效时，基于综采工作面无线传感器网络的可连通性，重新选择无线数据在综采工作面的传输路线，具体为：

1）当感知节点簇内节点失效时，失效感知节点的邻居节点与其较远的感知节点簇的簇首节点进行连通，传输节点簇正常工作；

2）当传输节点簇内节点失效时，失效传输节点一端的邻居节点失效，另一端的邻居节点选择相反的方向与基站进行连通，感知节点簇正常工作。