CN105873088B - 一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型，该模型中有背负式基站和车载基站，模拟基站的节点生成场景文件和流量文件。两种类型的基站根据不同职能特点，生成不同的移动场景和流量文件。模拟车载基站的节点固定在初始位置，模拟背负式基站的节点移动方式是：以当前位置为圆心，在半径为r的圆内随机选择目的地，以随机速度向目的地出发，到达目的地后停留随机时间；当有数据信息需要发送时，背负式基站向距离自己最近的车载基站发送数据；需要发送数据的背负式基站以一定的CBR速率持续发送一段随机时间；车载基站接收到背负式基站发送的消息后，向背负式基站发送指挥中心反馈的消息。本发明提供的节点移动模型可以更真实地模拟出应急救援中采集现场信息的基站自组织网络的特殊场景。

Description

一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动 模型
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信技术领域，涉及一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型。
背景技术
在受灾区域部署应急救援系统可以实现灾区和指挥中心间信息的高效传输，有效提升救援效率。由于固定的通信基础设施如基站等损毁严重，不能支撑信息准确及时地传输，无线自组织网络在应急救援中应用日趋广泛。在灾区部署由应急通信车和单兵组成的基站自组织网络，传输现场灾情和应急救援等信息非常必要。深入灾区现场的单兵可以将现场灾情和幸存群众信息发给指挥中心，便于指挥中心针对特殊的应急场景进行救援力量和物资的分配，提升救援效率，最大限度减少灾害带来的损失。要使现场灾情和应急救援等信息及时且准确地传输，就需要研究适合应急救援场景的无线自组织网络路由协议。研究路由协议，又需要通过仿真来模拟和评估协议的性能。节点的移动模型主要描述节点在网络中的运动状态，以及节点间发送数据的方式等，在仿真协议过程中，对确定协议性能具有至关重要的作用。因此，在对应急救援中采集现场信息的基站自组织网络协议进行评估前，必须正确选择相应的节点移动模型。
应急救援中，灾难发生没有规律，所以节点的移动和数据发送状态都具有很大的随机性。场景的特殊性使得现有移动模型很难满足需求，一定程度上阻碍了相关路由协议的研究。经过对现有技术文献的检索发现，公开号CN 103037390A的专利文献公开了一种用于仿真的移动模型，其将仿真区域均匀划分为若干区域，节点以等同概率选择一个区域，并在该区域随机选择一个目的地，然后以随机速度匀速移动，可用于移动自组网的相关研究中。CN 103167027A的专利文献公开了一种应急救灾场景下单终端的事件驱动的移动模型，其将网络因素作为影响道路权值的主要因素，以保证用户拥有较好的网络接入。公开号CN101795460A的专利文献公开了一种适用于障碍物环境下移动自组网的马尔可夫移动模型，其能够模拟真实环境下节点的运动情况，适用于多种障碍物环境，利用状态矩阵描述节点的运动情况，通过调整状态转移矩阵中的参数，获得具有不同特点的运动情况。
但是在应急救援中，以上各种方法都没有根据两种基站节点的不同职能特点，生成不同的场景和流量文件。因此，还存在进一步改进的必要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型，包括车载基站和背负式基站的初始分布位置；在仿真时间内的移动方式，更加符合自身的不同特点；移动基站的流量和场景类型，满足应急救援的特殊应用场景。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型，该模型中包括两种节点：车载基站节点和背负式基站节点；假设网络的仿真区域为X×Y的矩形区域，节点有效传输范围为R，且有R<X,R<Y；在仿真区域随机分布固定节点M个和移动节点N个；其中，固定节点模拟应急通信车携带的车载基站，移动节点模拟单兵携带的背负式基站，仿真时间为T；
每个节点的初始位置(x0,y0)都随机分布于仿真区域中，且x0∈(0,X)，y0∈(0,Y)，初始化每个节点的触发时间为0；初始位置生成后，每个节点按如下步骤生成自己的场景文件，这里主要分为两种：
1)移动节点
步骤1：每个移动节点随机选择一个目的地(xc+1,yc+1)，其中，(xc+1,yc+1)是以节点当前位置(xc,yc)为圆心，以r为半径的圆内随机选取的点，且目的地的选取服从均匀分布；
步骤2：节点选取下一个目的地后，以速度v行驶至目的地，其中v均匀分布于(0,Vmax)；
步骤3：设置下一个触发时间Ti，Ti＝Ti-1+Tr+tm，其中，Tr均匀分布于(0,Pausetime)，Pausetime是节点每次运行到目的地之后停留的最大时间，tm是从当前位置运动到目的地所需的时间，即
步骤4：重复步骤1～3，直到Ti＞T为止；
将以上步骤获得的数据按照触发时间顺序链接成链表，该链表包含了节点在任一时刻的运动状态，如初始位置、目的位置、速度和开始时间等；
2)固定节点
由于应急救援中道路损毁交通不便，车载基站运行至合适位置便会停止，充当背负式基站和指挥中心间信息传输的临时基站，故在仿真中，随机分布于仿真区域的固定节点只需生成初始位置即可；
当单兵在灾区中采取到有效信息时，就需要发送数据给车载基站，车载基站收到单兵发来的消息后，会将其整合给外界指挥中心，再将指挥消息反馈给该单兵；由于应急场景中信息的传输没有规律性，故节点发送数据的开始时间和持续时间均是随机产生，且均匀分布于特定范围；
21)背负式基站发送消息给车载基站
设节点S需要发送数据，M个车载基站的位置分别为(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)；主要步骤如下：
步骤1：背负式基站S需要发送数据给车载基站时，先获取自身位置(xs,ys)和N个车载基站的位置(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)，并据此选取距离自己最近的车载基站，将其作为数据发送的目的节点D；
步骤2：设置数据开始发送的时间tsend和数据发送持续时间tdur，其中，tdur随机分布于(0,tmax)；
步骤3：背负式基站发送数据的方式；设置本次数据发送的CBR速率和CBR的ID号，CBR的ID号是CBR会话的唯一标识，从0开始，每发生一次CBR会话，CBR的ID号就自动加一次；节点S发送tdur时间后关闭链路，等待一段时间内后再选择发送数据，模拟不定时发送现场信息情况；
步骤5：数据发送完毕后，设置触发类型为“停止”，对应的触发时间为tstop，其中，tstop＝tsend+tdur；
步骤6：重复步骤1～5，直到仿真结束；
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件；
22)车载基站反馈消息给背负式基站
步骤1：背负式基站在tstop时停止发送数据，车载基站D在tstop的一段随机时间后，开始反馈消息给背负式基站S；
步骤2：设置反馈消息持续发送时间t'dur；
步骤3：车载基站在t'stop时停止发送反馈消息，其中，t'stop＝tstop+t'dur；
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件。
进一步，所述移动节点发送数据的持续时间在(0,tmax)范围内服从均匀分布。
进一步，固定节点只对向其发送数据的背负式基站反馈消息。
本发明的有益效果在于：本发明针对应急救援中的特殊场景构建网络拓扑，并对节点的移动类型和流量模式进行优化，使其更符合应急救援的特点，具体体现在：1)应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型更接近应急场景。实证研究表明，由车载基站和背负式基站组成的采集现场信息的基站自组织网络，针对两种基站的不同特点和职能，分别生成不同的场景文件和流量文件；2)背负式基站深入灾区采集信息，其每次移动的轨迹有一定规律且收敛于特定范围，并且自适应选择距离最近的车载基站进行数据传输；3)背负式基站和车载基站的数据发送持续时间是随机的，且在仿真周期内随机产生数据发送的触发时间，可以模拟单兵在灾区现场不定时发送采集信息及应急通信车向单兵反馈消息的场景。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为背负式基站场景文件生成流程示意图；
图2为背负式基站发送现场数据流程示意图；
图3为车载基站发送反馈消息流程示意图；
图4为应急救援中采集现场信息的基站自组织网络架构示意图；
图5为背负式基站选取移动目的地的方式图；
图6为场景文件的链表格式。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明针对车载基站和背负式基站的不同特征，构建更加符合应急救援真实场景的移动模型。应急救援中采集现场信息的基站自组织网络，是由应急通信车(车载基站)和单兵(背负式基站)构成。通常，在无线自组网仿真中，最常使用的是随机路点移动模型RWP(Random Waypoint,RWP)。在RWP模型中，节点的移动是相互独立的，每个节点以随机选择的速度到达一个随机选择的目的地，在所有节点中随机选取有通信需求的节点对，且节点持续不断地发送数据，直到能量耗尽为止。然而，该移动模型用在应急救援中，无法满足真实场景需求。本发明提出一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型，根据车载基站和背负式基站的不同移动方式和特征，建立合适的移动模型，更好地模拟出真实场景的特点。
应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型的设计，主要分为两个部分：
1、场景文件生成
图1为背负式基站场景文件生成流程示意图，根据车载基站和背负式基站在应急救援中的不同特点和职能，基站自组织网络分为两类节点：模拟车载基站的固定节点和模拟背负式基站的移动节点。假设：网络的仿真区域为X×Y的矩形区域，节点的有效传输范围为R，且有R<X,R<Y。在仿真区域均匀分布M个固定节点及N个移动节点，仿真时间为T。节点运动产生的相关数据组成节点的场景文件，其生成主要有以下几个步骤：
步骤1：车载基站和背负式基站的分布。在X×Y的受灾区域中，随机分布M个车载基站和N个背负式基站。每个节点的初始位置(x0,y0)都随机分布于仿真区域中，且x0∈(0,X)，y0∈(0,Y)，初始化每个移动节点的触发时间为0。
步骤2：背负式基站的移动模式。单兵携带背负式基站深入灾区现场，采集现场信息并将其传输至车载基站。设置模拟单兵的移动节点最大移动速度为Vmax，暂停时间为Pausetime。每个移动节点在以当前位置(xc,yc)为圆心，以r为半径的圆内，随机选择一个目的地(xc+1,yc+1)。在(0,Vmax)范围内随机选取速度v，并以速度v向目的地(xc+1,yc+1)行进，到达目的地之后，随机停留一段时间Tr。位置(xc,yc)和(xc+1,yc+1)是互相独立的，选取的目的地和速度也是相互独立的。图2为背负式基站发送现场数据流程示意图，图5为背负式基站选取移动目的地的方式图。
步骤3：设置下一个触发时间Ti。Ti＝Ti-1+Tr+tm，其中，Tr均匀分布于(0,Pausetime)，Pausetime是节点每次运行到目的地之后停留的最大时间，tm是从当前位置运动到目的地所需的时间，
步骤4：重复步骤1～3，直到Ti＞T为止。
将以上步骤获得的数据按照触发时间顺序链接成链表，该链表包含了节点在任意时刻的运动状态，如初始位置、目的位置、速度和开始时间等。对于任意移动节点，其数据结构都包含一个链表头，链表头指向链表数据N1，链表结构如图6所示。
由于应急救援中道路损毁交通不便，车载基站运行至合适位置便会停止，充当背负式基站和指挥中心间信息传输的临时基站。故在仿真中，随机分布于仿真区域的固定节点只需生成初始位置即可。
2、流量文件生成
1)当单兵在灾区中采集到有效信息时，就需要发送数据给车载基站。设M个车载基站的位置分别为(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)。节点S发送数据的主要步骤如下：
步骤1：设置触发类型为“发送”，找到下一个最小触发时间tsend，并获得触发时间tsend对应的节点S当前位置信息(xs,ys)；
步骤2：获取M个固定节点的位置信息(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)，计算出与固定节点的距离：
步骤3：选出最小距离min(r1,r2,...,rM)对应的固定节点，并将其设置为数据发送的目的节点；
步骤4：设置数据发送持续时间tdur。其中，tdur均匀分布于(0,tmax)；
步骤5：设置本次数据发送的CBR速率和CBR的ID号，CBR的ID号是CBR会话的唯一标识，从0开始，每发生一次CBR会话，CBR的ID号就自动加一次；
步骤6：设置触发类型为“停止”，对应的触发时间为tstop。其中，tstop＝tsend+tdur；
步骤7：设置下一个数据发送时间tsend。其中，tsend＝tstop+twait。
步骤8：重复步骤1～6，直到仿真结束。
2)车载基站收到单兵发来的消息后，会将其整合给外界指挥中心，再将指挥消息反馈给该单兵。图3为车载基站发送反馈消息流程示意图。
步骤1：tstop时背负式基站停止发送数据，车载基站D在tstop后的一段随机时间t'wait后，开始反馈消息给背负式基站S；
步骤2：持续发送反馈消息t'dur时间；
步骤3：t'stop时停止发送反馈消息。其中，t'stop＝tstop+t'wait+t'dur。
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件。
实施例：
图4为应急救援中采集现场信息的基站自组织网络架构示意图：
首先假设：在1000m×500m的受灾区域中，随机分布4个模拟车载基站的固定节点和60个模拟背负式基站的移动节点。对于任意节点，初始位置都是均匀且随机分布于受灾区域当中。节点的信号传输有效范围是250m，仿真时间T＝600s。按照如下步骤建立应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型。
步骤1：生成每个节点的初始位置(x0,y0)，范围分别是x0∈[0.1,999.9],y0∈[0.1,499.9]。初始化节点触发时间、运动开始时间、节点ID号和第一次发送数据的时间等，并将每个节点的初始位置输出到场景文件cmu中；
步骤2：初始位置生成成功后，每个节点生成自己的场景文件。由于应急救援中道路损毁交通不便，车载基站运行至合适位置便会停止，仅充当背负式基站和指挥中心间信息传输的临时基站。故在仿真中，随机分布于仿真区域的固定节点只需生成初始位置即可。现在阐述模拟背负式基站的移动节点生成场景文件的方法。
(1)设置模拟单兵的移动节点最大移动速度为Vmax＝5m/s，节点每次运行到目的地后的最大暂停时间为Pausetime＝20s。每个移动节点在以当前位置(xc,yc)为圆心，以r为半径的圆内，随机选择一个目的地(xc+1,yc+1)，如图5所示。
(2)选取目的地(xc+1,yc+1)后，在[0.5,5]范围内随机选取速度v，并以速度v向目的地行进。到达目的地之后，随机停留一段时间Tr，其中Tr在(0,20)范围内均匀分布。位置(xc,yc)和(xc+1,yc+1)互相独立，选取的目的地和速度也是相互独立的。
(3)设置下一个触发时间Ti。Ti＝Ti-1+tm+tpause，其中，tm为从当前位置运动到目的地所需的时间，
(4)重复(1)～(3)，直到触发时间大于仿真时间为止，即Ti＞600s。
将以上步骤获得的数据按照触发时间从小到大的顺序链接成链表，该链表包含了节点在任意时刻的运动状态(即初始位置、目的位置、速度和开始时间等)，然后输出到场景文件cmu中。
步骤3：移动节点S需要发送数据给固定节点时，方法如下：
(1)设置触发类型为“发送”，找到下一个最小触发时间tsend，获得触发时间tsend对应的节点S当前位置(xs,ys)和4个固定节点的位置(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和(x4,y4)；
(2)分别计算出与固定节点的距离r1、r2、r3和r4：
(3)选出最小距离min(r1,r2,r3,r4)对应的固定节点，并将其设置为数据发送的目的节点D；
(4)由于单兵在受灾区域的信息采集情况不是持续性的，故设置数据发送最大持续时间tmax＝30s，背负式基站发送数据的持续时间tdur随机分布于(0,30)；
(5)设置本次数据发送的CBR速率和ID号，CBR的ID号是CBR会话的唯一标识，从0开始，每发生一次CBR会话，CBR的ID就自动加一次；
(6)数据发送完毕后，设置触发类型为“停止”，对应的触发时间为tstop。其中，tstop＝tsend+tdur；
(7)设置下一次数据发送时间tsend。其中，tsend＝tstop+twait，twait在(0,90)范围内服从均匀分布；
(8)重复步骤(1)～(7)，直到仿真结束；
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件。
步骤4：车载基站收到单兵发来的消息后，会将其整合给外界指挥中心，再将指挥消息反馈给该单兵。方法如下：
(1)tstop时背负式基站停止发送数据，车载基站D在tstop后的一段随机时间twait后，开始反馈消息给背负式基站S；
(2)持续发送反馈消息t'dur时间；
(3)t'stop时停止发送反馈消息。其中，t'stop＝tstop+twait+t'dur。
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型的建模方法，其特征在于：该模型中包括两种节点：车载基站节点和背负式基站节点；假设网络的仿真区域为X×Y的矩形区域，节点有效传输范围为R，且有R<X,R<Y；在仿真区域随机分布固定节点M个和移动节点N个；其中，固定节点模拟应急通信车携带的车载基站节点，移动节点模拟单兵携带的背负式基站节点，仿真时间为T；
每个节点的初始位置(x0,y0)都随机分布于仿真区域中，且x0∈(0,X)，y0∈(0,Y)，初始化每个节点的触发时间为0；初始位置生成后，每个节点按如下步骤生成自己的场景文件，这里分为两种：
1)移动节点
步骤1：每个移动节点随机选择一个目的地(xc+1,yc+1)，其中，(xc+1,yc+1)是以节点当前位置(xc,yc)为圆心，以r为半径的圆内随机选取的点，且目的地的选取服从均匀分布；
步骤2：节点选取下一个目的地后，以速度v行驶至目的地，其中v均匀分布于(0,Vmax)；
步骤3：设置下一个触发时间Ti，Ti＝Ti-1+Tr+tm，其中，Tr均匀分布于(0,Pausetime)，Pausetime是节点每次运行到目的地之后停留的最大时间，tm是从当前位置运动到目的地所需的时间，即
步骤4：重复步骤1～3，直到Ti＞T为止；
将以上步骤获得的数据按照触发时间顺序链接成链表，该链表包含了节点在任一时刻的运动状态，即初始位置、目的位置、速度和开始时间；
2)固定节点
由于应急救援中道路损毁交通不便，车载基站节点运行至合适位置便会停止，充当背负式基站节点和指挥中心间信息传输的临时基站，故在仿真中，随机分布于仿真区域的固定节点只需生成初始位置即可；
当单兵在灾区中采取到有效信息时，就需要发送数据给车载基站节点，车载基站节点收到单兵发来的消息后，会将其整合给外界指挥中心，再将指挥消息反馈给该单兵；由于应急场景中信息的传输没有规律性，故节点发送数据的开始时间和持续时间均是随机产生，且均匀分布于特定范围；
21)背负式基站节点发送消息给车载基站节点
设背负式基站节点S需要发送数据，M个车载基站节点的位置分别为(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)；主要步骤如下：
步骤1：背负式基站节点S需要发送数据给车载基站节点时，先获取自身位置(xs,ys)和M个车载基站节点的位置(x1,y1)、(x2,y2)…(xM,yM)，并据此选取距离自己最近的车载基站节点，将其作为数据发送的目的节点，即车载基站节点D；
步骤2：设置数据开始发送的时间tsend和数据发送持续时间tdur，其中，tdur随机分布于(0,tmax)；
步骤3：背负式基站节点发送数据的方式；设置本次数据发送的CBR速率和CBR的ID号，CBR的ID号是CBR会话的唯一标识，从0开始，每发生一次CBR会话，CBR的ID号就自动加一次；背负式基站 节点S发送tdur时间后关闭链路，等待一段时间内后再选择发送数据，模拟不定时发送现场信息情况；
步骤5：数据发送完毕后，设置触发类型为“停止”，对应的触发时间为tstop，其中，tstop＝tsend+tdur；
步骤6：重复步骤1～5，直到仿真结束；
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件；
22)车载基站节点反馈消息给背负式基站节点
步骤1：背负式基站节点在tstop时停止发送数据，车载基站节点D在tstop的一段随机时间后，开始反馈消息给背负式基站节点S；
步骤2：设置反馈消息持续发送时间t'dur；
步骤3：车载基站节点在t'stop时停止发送反馈消息，其中，t'stop＝tstop+t'dur；
将以上生成的数据按触发时间从小到大排序并输出到流量文件。
2.根据权利要求1所述的一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型的建模方法，其特征在于：所述移动节点发送数据的持续时间在(0,tmax)范围内服从均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种应急救援中采集现场信息的基站自组织网络节点移动模型的建模方法，其特征在于：固定节点只对向其发送数据的背负式基站节点反馈消息。
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TD-LTE应急通信中的改进型节点移动模型研究;王诗言等;《无线互联科技》;20151130(第21期);全文

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CN105873088A (zh) 2016-08-17

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