CN106507433B - 一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法 - Google Patents

一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法，包括：依据地震仪的交互信息,计算所有邻近地震仪的平均剩余能量，完成邻近地震仪信息收集阶段；构建不同尺寸的簇群，完成簇头竞争阶段；每个簇头依据控制消息建立簇内调度列表，完成簇成员选择阶段；建立簇头到基站连接运行时间、基站等待连接时间和簇头等待连接时间函数关系式；以最小化加权算术和为目标实现簇头路由形成方法，完成从地震仪到基站无线数据传输路由协议设计。本发明使得剩余能量高的地震仪作为簇头，承担更多的中继数据责任，均衡地震仪的能量消耗，避免地震仪能量过早耗尽引起的地震数据丢失，大大的提高了地震仪工作效率，同时减少无线数据传输的多跳延迟影响。

Description

一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法
技术领域
本发明涉及地震勘探无线数据传输路由协议设计领域，特别是涉及一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法。
背景技术
自无线通信技术与地震勘探技术结合提出至今，无线数据传输用于地震勘探仪器更能顺应地震探测向着大规模、全数字化和高实时性发展的趋势。然而，现有的地震勘探仪器有线数据传输系统在复杂地质条件下表现出施工效率低、成本高昂以及勘测灵活性差等问题。因此，无线地震数据传输在地震勘探仪器中的应用已经成为当前地震勘探装备最主要的发展方向，为无线地震数据传输设计适用的路由协议是本发明的研究背景。
利用无线通信网络收集地震数据，需要将无缆地震仪统一连接至基站，组建无线地震数据传输网络，避免使用笨重的通信缆线，不仅缩短了施工周期，还降低了设备成本，增加了地震勘探工作的应用范围。目前，由于成百上千的无缆地震仪部署在野外环境中，大范围、长距离的无线数据传输会导致无缆地震仪花费大量精力中继数据，从而导致无缆地震仪的能量消耗不均衡，大大的降低了地震勘探效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法，通过无缆地震仪的交互信息和基站的位置，计算簇头竞争半径，构建距离基站近的小尺寸簇群，使得剩余能量高的无缆地震仪作为簇头，承担更多的中继数据责任，均衡无缆地震仪的能量消耗，避免无缆地震仪能量过早耗尽引起的地震数据丢失，大大的提高了无缆地震仪工作效率，同时减少无线数据传输的多跳延迟影响。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法，包括通过无缆地震仪的交互信息，得出无缆地震仪的所有邻近无缆地震仪的平均剩余能量，得出邻近无缆地震仪信息收集阶段T1和簇头竞争阶段T2；根据基站位置计算簇头竞争半径，构建不同尺寸的簇群，得出簇成员选择阶段T3；依据动态能耗均衡分簇方法选出的簇头构建簇间虚拟骨干传输路径；分别建立簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)的加权算术和目标函数，通过设定约束条件实现最小化运行时间，满足簇头路由无线传输延迟最小化的实际工作需求；具体包括步骤：
A.无缆地震仪在其通信范围内广播控制信息，同时接收邻近无缆地震仪的控制消息，通过公式计算n个邻近无缆地震仪的平均剩余能量，得到邻近无缆地震仪信息收集阶段T1，其中Ea表示近无缆地震仪的平均剩余能量；
B.如果无缆地震仪在等待时间t内没有收到当选虚头控制消息，则该无缆地震仪作为簇头，并计算簇头竞争半径，计算簇头竞争半径得到簇头竞争阶段T2；
C.簇头根据等待候选无缆地震仪的控制信息创建调度时间列表，并广播所述列表通知等待候选无缆地震仪，簇成员选择阶段T3结束，完成对簇群的构建；
D.基于簇头和基站的位置信息，设定簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)；
E.最小化簇头路由平均多跳延迟的目标简化为最小化Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)的加权算术和，建立簇头路由形成方法目标函数：其中，Tr(x)表示簇头到基站连接运行时间，Tw(x)表示基站等待连接时间，Tf(x)表示簇头等待连接时间，θ和δ表示在[0,1]之间的加权系数
F.结合蚁群算法和遗传算法的搜索特性，组建帕累托候选集合，以汉明距离为阈值更新该集合，实现最优化簇头路由形成，满足目标函数的约束条件。
可选的，步骤B在等待时间t结束后广播无缆地震仪当选簇头控制消息，计算簇头竞争半径完成簇头竞争阶段T2，包括以下步骤：
依据邻近无缆地震仪平均剩余能量Ea和无缆地震仪剩余能量Er，给出广播簇头竞争消息等待时间t：依照该公式，无缆地震仪在等待时间t内没有收到竞争簇头消息，则该无缆地震仪则为簇头；
考虑簇头的剩余能量和基站的通信距离，簇头竞争半径表达式为：
其中，dmax和dmin是在无缆自定位地震勘探仪器网络中簇头到基站的最大通信距离和最小通信距离，d(si,BS)是簇头si到基站的通信距离；α和β是分布在[0,1]之间的加权系数，分别决定了无缆地震仪与基站之间的通信距离和剩余能量影响系数；是簇头si的剩余能量，Rmax是簇头竞争半径的最大值。
可选的，步骤F结合蚁群算法和遗传算法的搜索特性，组建帕累托候选集合，以汉明距离为阈值更新该集合，实现最优化簇头路由形成，满足目标函数的约束条件，包括以下步骤：
为实现步骤E中的目标函数，对Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)提出的约束条件如下所示：
d0i≥e0，其中
为簇头i和j与时间t的二元变量；为簇头i和j在时间节点t时的簇间路由运行时间，ωi为地震数据到达基站的运行时间比预定时间提早的等待时间，di为地震数据到达基站的运行时间比预定时间晚的等待时间，d0i为地震数据从离开簇头i到j的时间，ei为簇头j开始接收或发送地震数据的时间临界值，cij为离散状态下簇头i和j的最小数据传输时间，N0为簇头N的子集，N为簇头的数量；
为满足上述步骤的约束条件，结合蚁群算法的局部搜索特性和遗传算法全局搜索特性，组建帕累托簇头路由候选集合，并以汉明距离为阈值更新该集合，完成最优簇头路由形成方法。根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：解决了现有无缆地震仪无线数据传输功耗不均衡的问题。动态能耗均衡分簇方法依据剩余能量和基站通信距离，通过距离基站近的无缆地震仪构建尺寸小的簇，集中能量承担中继数据的责任，平衡了无线数据传输的能量消耗。簇头路由形成方法完成了对簇头到基站之间的无线数据传输延迟最小化的设计，有效的保证了无缆地震仪的无线数据传输质量，提高了野外地震勘探工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的流程示意图；
图2为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的整体流程示意图；
图3为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的动态能耗均衡分簇方法流程示意图；
图4为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的簇头路由形成方法流程示意图；
图5为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的无缆地震仪状态信息列表图；
图6为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的无缆地震仪状态信息列表图；
图7为本发明的一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法的实施例的簇头路由形成方法参数注释列表图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法，可以取代人力和大型燃油机械，能将埋入沙滩中和漂浮海面的垃圾清理出来；并且以锂离子动力电池作为动力装置，节能环保；另外无人遥控操作可以利用车载摄像头进行远洋作业避免人工危险，安全可靠。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如附图1所示，无缆地震仪无线数据传输分簇路由协议设计方法，包括动态能耗均衡分簇方法和簇头路由形成方法：
首先，通过无缆地震仪的交互信息，得出每个无缆地震仪的所有邻近无缆地震仪的平均剩余能量，完成邻近无缆地震仪信息收集阶段T1和簇头竞争阶段T2；根据基站位置计算簇头竞争半径，构建不同尺寸的簇群，完成簇成员选择阶段T3。
其次，依据动态能耗均衡分簇方法选出的簇头构建簇间虚拟骨干传输路径；分别建立簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)的加权算术和目标函数，通过设定约束条件实现最小化运行时间，满足簇头路由无线传输延迟最小化的实际工作需求。
结合图5、图6和图3，实现动态能耗均衡分簇方法，包括以下步骤：
a.无缆地震仪在其通信范围r内广播Node_Msg信息，同时接收邻近无缆地震仪的Node_Msg消息，通过公式计算n个邻近无缆地震仪的平均剩余能量，完成邻近无缆地震仪信息收集阶段T1；
b.依据邻近无缆地震仪平均剩余能量Ea和无缆地震仪剩余能量Er，给出广播Head_Msg消息等待时间t：依照该公式，无缆地震仪在等待时间t内没有收到竞争簇头消息，则该无缆地震仪则为簇头；
c.考虑簇头的剩余能量和基站的通信距离，计算簇头竞争半径完成簇头竞争阶段T2；其簇头竞争半径表达式为：
其中，dmax和dmin是在无缆自定位地震勘探仪器网络中簇头到基站的最大通信距离和最小通信距离，d(si,BS)是簇头si到基站的通信距离；α和β是分布在[0,1]之间的加权系数，分别决定了无缆地震仪与基站之间的通信距离和剩余能量影响系数；是簇头si的剩余能量，Rmax是簇头竞争半径的最大值；
d.等待候选无缆地震仪选择其邻近簇头，并发送Join_Msg信息申请加入该簇，簇头依据接收到的Join_Msg信息创建调度时间列表，通过广播Schedule_Msg信息将调度时间列表发送给簇成员，簇成员选择阶段T3结束，完成对簇群的构建；
e.基于簇头和基站的位置信息，设定簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)；
f.最小化簇头路由平均多跳延迟的目标可以简化为最小化Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)的加权算术和，建立簇头路由形成方法目标函数：
g.等待时间和多跳延迟引起的过多运行时间导致的时间冲突或未在计划时间内形成簇头路由，为避免该问题出现，实现上述步骤中的目标函数，对Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)提出的约束条件(图7所示)如下所示：
d0i≥e0
h.为满足上述步骤的约束条件，结合蚁群算法的局部搜索特性和遗传算法全局搜索特性，组建帕累托簇头路由候选集合，并以汉明距离为阈值更新该集合，完成最优簇头路由形成方法(图4所示)。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种地震仪数据传输分簇路由协议设计方法，其特征在于，包括通过无缆地震仪的交互信息，得出无缆地震仪的所有邻近无缆地震仪的平均剩余能量，得出邻近无缆地震仪信息收集阶段T1和簇头竞争阶段T2；根据基站位置计算簇头竞争半径，构建不同尺寸的簇群，得出簇成员选择阶段T3；依据动态能耗均衡分簇方法选出的簇头构建簇间虚拟骨干传输路径；分别建立簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)的加权算术和目标函数，通过设定约束条件实现最小化运行时间，满足簇头路由无线传输延迟最小化的实际工作需求；具体包括步骤：
A.无缆地震仪在其通信范围内广播控制信息，同时接收邻近无缆地震仪的控制消息，通过公式计算n个邻近无缆地震仪的平均剩余能量，得到邻近无缆地震仪信息收集阶段T1，其中Ea表示近无缆地震仪的平均剩余能量；
B.如果无缆地震仪在等待时间t内没有收到当选虚头控制消息，则该无缆地震仪作为簇头，并计算簇头竞争半径，计算簇头竞争半径得到簇头竞争阶段T2；
C.簇头根据等待候选无缆地震仪的控制信息创建调度时间列表，并广播所述列表通知等待候选无缆地震仪，簇成员选择阶段T3结束，完成对簇群的构建；
D.基于簇头和基站的位置信息，设定簇头到基站连接运行时间Tr(x)、基站等待连接时间Tw(x)和簇头等待连接时间Tf(x)；
E.最小化簇头路由平均多跳延迟的目标简化为最小化Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)的加权算术和，建立簇头路由形成方法目标函数：
其中，Tr(x)表示簇头到基站连接运行时间，Tw(x)表示基站等待连接时间，Tf(x)表示簇头等待连接时间，θ和δ表示在[0,1]之间的加权系数；
F.结合蚁群算法和遗传算法的搜索特性，组建帕累托候选集合，以汉明距离为阈值更新该集合，实现最优化簇头路由形成，满足目标函数的约束条件；
所述步骤B在等待时间t结束后广播无缆地震仪当选簇头控制消息，计算簇头竞争半径完成簇头竞争阶段T2，包括以下步骤：
依据邻近无缆地震仪平均剩余能量Ea和无缆地震仪剩余能量Er，给出广播簇头竞争消息等待时间t：依照该公式，无缆地震仪在等待时间t内没有收到竞争簇头消息，则该无缆地震仪则为簇头；
考虑簇头的剩余能量和基站的通信距离，簇头竞争半径表达式为：
其中，dmax和dmin是在无缆自定位地震勘探仪器网络中簇头到基站的最大通信距离和最小通信距离，d(si,BS)是簇头si到基站的通信距离；α和β是分布在[0,1]之间的加权系数，分别决定了无缆地震仪与基站之间的通信距离和剩余能量影响系数；是簇头si的剩余能量，Rmax是簇头竞争半径的最大值；
所述步骤F结合蚁群算法和遗传算法的搜索特性，组建帕累托候选集合，以汉明距离为阈值更新该集合，实现最优化簇头路由形成，满足目标函数的约束条件，包括以下步骤：
为实现步骤E中的目标函数，对Tr(x)、Tw(x)和Tf(x)提出的约束条件如下所示：
d0i≥e0，其中
为簇头i和j与时间t的二元变量；为簇头i和j在时间节点t时的簇间路由运行时间，ωi为地震数据到达基站的运行时间比预定时间提早的等待时间，di为地震数据到达基站的运行时间比预定时间晚的等待时间，d0i为地震数据从离开簇头i到j的时间，ei为簇头j开始接收或发送地震数据的时间临界值，cij为离散状态下簇头i和j的最小数据传输时间，N0为簇头N的子集，N为簇头的数量；
为满足上述步骤的约束条件，结合蚁群算法的局部搜索特性和遗传算法全局搜索特性，组建帕累托簇头路由候选集合，并以汉明距离为阈值更新该集合，完成最优簇头路由形成方法。
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