CN109041160B - 提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道，将n个普通耗能传感器节点即1级节点随机均布在长矩形区域A内，在所述中间通路的去除中段B的区域增设多个高耗能传感器节点即3级节点3级节点直接作为簇头节点。本发明的方法能够有效延长网络的生存周期，克服因大小簇而造成的网络能量不均衡。

Description

提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络数据的传输方法，尤其是一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法。

背景技术

城市综合管廊亦称共同沟，是指在城市地下用于集中铺设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力和燃气等市政管道的公共隧道，是一种现代化、科学化和集约化的城市基础设施[11]。因城市综合管廊内所述的电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等管道需要稳定运行，这就需要对这些管道进行实时监控，以保证能够随时发现问题，以便及时派出人员准确到达故障地点进行故障排除。而城市综合管廊内环境较差、人员不易长期值守。这就对如何能够实现自动实时采集需监控的各管道的运行信息，及时发送给观察者提出了要求。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)是一种新兴的网络模型，它由大量具有通信和计算能力的传感器节点布设在无人值守的监控区域构成。在数据传输上，WSN传统的LEACH协议信息传输模式单一，因此，广大研究者对于这些问题，做了广泛的研究。甘少波提出只对LEACH协议的节点进行一次分簇，之后的周期，都在分好的簇内选择新的簇头的算法[1]。倪文亚提出将传感器节点的能量因素和位置因素作为选择簇头标准之一，并通过粒子群算法(PS0)，根据不同网络规模选取最佳的能量和距离的比重，优化簇头选举的算法[2]。刘昌东提出了一个仿真区域中心点的概念，主要作用是让簇头节点分布更加均匀，使簇内通信消耗能量消耗不至于太高，簇头到Sink节点的能量消耗也不至于太大。为了实现这个分布，设置了距离因子和能量因子，这两个因子之间有联系，共同决定对节点的分簇[3]。李亚男提出将节点的剩余能量和距离汇聚节点的远近作为成簇的依据，使簇头的分布更加合理的算法[4]。李婧提出对簇头节点所占比例进行优化选择的算法[5]。邓柯提出在成簇阶段完成后，簇头节点根据节点的能量剩余情况，向能量剩余最多的节点发送消息，通知其担任簇头的算法[6]。邹茜提出在进行簇头选举之前，根据网络的节点数目、节点到汇聚节点的距离和网络覆盖区域大小等参数共同决定节点成为候选簇头概率的算法[7]。张现利提出将K-Means聚类算法引进LEACH路由协议中[8]。彭蕾为了降低传感器节点能耗，提出一种适用于大规模网络的基于LEACH协议的混合无线传感网络节能路由算法[9]。严静静采用WCRCM聚类算法将WSN中节点的地理位置进行聚类，从而在无线网络的监控区域形成多个虚拟子区域，达到优化簇头节点分布的目的[10]。

授权公告号为CN103916942B的发明专利《一种降低功耗的LEACH协议改进方法》。该发明包括如下步骤：

步骤一，确定网络拓扑：将n个普通传感器节点随机均匀分布在监控区域内，各节点的感知半径相同，覆盖区域是以节点为圆心，R为半径的圆；基站配置于监测区域之外，可以和区域内任意一个传感器节点直接通信，网络拓扑确定完毕；

步骤二，网络拓扑确定后进行初始化，监测网络中所有节点的初始能量均为E，基站计算基站到每个普通节点的距离，找到距离最大值和最小值；基站泛洪广播全网信息包，包括最大距离、最小距离以及基站的位置信息，各个节点收到消息后连同自身的位置信息存储起来；

步骤三，簇头节点的选取：从节点能量、节点到基站的距离、节点密度三个因子方面综合选簇头，协议根据三个因子区分出三类特殊节点，通过提高特殊节点的当选概率，均衡簇头的负担；

步骤四，簇的形成：采用网格分簇方法，首先协议通过节点位置模糊匹配的方式将网络分成若干个相同大小的网格，矩形网络区域长为L，宽为W，将长边划分为a等份，宽边划分为b等份，网络被等分为a*b个矩形网格，所有节点计算自身所属网格的二维值，满足位置匹配条件的节点划分在同一网格，即二维值相同的节点分在同一簇，从而形成簇；

步骤五，数据传输：当簇形成后，传感器节点采集数据并进行数据的传输，数据传递方式包括以下过程：首先规定一个距离闽值，当簇头节点n与基站的距离小于距离阈值时，节点采用单跳方式，簇头直接与基站通信，完成数据传输；当簇头节点n和基站问的距离大于距离阈值时，先完成簇内数据处理，即网格内的簇头接收本簇节点的数据包，若一个网格包含多个簇头，普通节点的数据包发送至距离最近的簇头；簇内数据处理完成后，各个网格中的簇头成为待转发节点，进行簇外数据传输，采用多跳方式，选择合适的转发节点，将数据传送至基站；计数簇头重置时间为20s，20s后处于数据稳定传输阶段的网络重新进入簇头选取阶段，调整轮数值并再次执行步骤(三)一(五)，如此循环直至所有节点能量耗尽。

以上的这些研究，在对LEACH协议的簇头选举、区域划分、信息传输方式和能量消耗等方面做了改进，提高了网络的生存能力，降低了网络的能耗，但这些改进都是针对一个长宽差异不大的部署环境提出的，而城市综合管廊的建设需要对道路及两侧建筑物的空间影响进行考虑，这决定了其必定是一个长度远大于宽度的建筑结构，假设城市综合管廊某一段为长500m、直径是20m的半圆柱体，则截面半圆的周长约为31.4m，20m、31.4m对于500m的长度占比分别为4％和6.28％，相差较小，可以抽象成长矩形平面。而传统LEACH协议的应用环境通常是正方形。因此，针对城市综合管廊的应用环境特点，如何设计出适合的WSN来监控城市综合管廊内的各个管道，具有重要的研究价值。本发明针对WSN和城市综合管廊自身特点详细分析现有WSN的节点模型和LEACH协议的选簇机制，分析得出LEACH协议在城市综合管廊的应用中存在如下缺陷：

1、节点位置部署的缺陷

LEACH协议中，当节点竞选成为簇头，并广播自己成为簇头的消息后，非簇头节点就要选择簇头，申请加入成簇。由于在第一轮开始之前，所有的节点分布并没有规律可循，所以成簇过程中，极有可能形成大小簇，造成网络能量不均衡：

2、选簇阶段的缺陷

在选举簇头过程中，由于节点部署具有随机性，簇头的产生也伴随着这种随机性，而在大多数需要部署无线传感网络的环境中，是需要考虑位置信息和能量信息的。如果选择位置距离基站节点较远或者剩余能量较少的节点作为簇头，会严重降低网络的存活时间。同样，如果某些节点过于频繁地担任簇头，在节点初始能量相同的情况下，这种节点将会过早死亡，造成网络萎缩。

参考文献：

[1]甘少波.基于LEACH协议的无线传感器网络路由协议改进算法[D].华中师范大学，2015.

[2]倪文亚.无线传感器网络Leach路由协议的研究与改进[D].华东理工大学，2015.

[3]刘昌东.一种新的基于LEACH的WSN路由协议研究[D].哈尔滨理工大学，2015.

[4]李亚男，徐夫田，陈金鑫.基于LEACH的WSNs分簇优化策略[J].传感技术学报，2014，27(05)：670-674.

[5]李婧.无线传感器网络路由及定位技术的研究[D].太原理工大学，2015.

[6]邓柯.基于遗传算法的无线传感器网络层次路由协议研究[D].陕西师范大学，2015.

[7]邹茜.地理环境信息监测中的能量有效无线传感器网络路由算法研究[D].成都理工大学，2014.

[8]张现利.基于LEACH协议改进的物联网能耗均衡路由算法[D].吉林大学，2016.

[9]彭蕾，吕敬祥，刘秋平.大规模无线传感网络的混合LEACH协议研究[J].传感技术学报，2016，29(11)：1737-1741.

[10]严静静.基于粗糙C-均值聚类的WSN能量均衡路由算法研究[D].南京邮电大学，2016.

[11]白海龙.城市综合管廊发展趋势研究[J].中国市政工程，2015，(06)：78-81+95.

[12]谭忠盛，陈雪莹，王秀英，黄明利.城市地下综合管廊建设管理模式及关键技术[J].隧道建设，2016，36(10)：1177-1189.

[13]黄俊杰，刘应明，朱安邦.深圳市综合管廊建设区域分类研究[J].城乡建设，2017(13)：56-58.

[14]古鑫华.城市地下天然气管网监测系统研究[D].哈尔滨理工大学，2017.

[15]韩聪.基于单片机的地下电力电缆路径检测系统研究[D].长沙理工大学，2015.

[16]李铮.面向城市污水监测的WSN无线网关节点设计[D].西安工业大学，2015.

[17]肖壹文.多节点海底信息网的研究与设计[D].武汉邮电科学研究院，2017.

[18]曹荣.供热网温度监测系统的研制[D].哈尔滨工业大学，2008.

[19]邹红文，聂雅琳，周四望.WSN中基于距离能量和主副簇头的成簇算法[J].计算机工程与设计，2008(15)：3889-3891+3979.

[20]方惠蓉，廖传柱.SEP改进算法在WSN中的应用研究[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)，2016，45(04)：528-532+539.

[21]HeinzelmanWR.An Application Specific Protocol Architecture forWireless Microsensor Networks[J].IEEE Trans on Wireless Communications，2002，1(4)：660-670。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法，能够有效延长网络的生存周期，克服因大小簇而造成的网络能量不均衡。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，其特征在于，

所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道，将n个普通耗能传感器节点即1级节点随机均布在长矩形区域A内，在所述中间通路的去除中段B的区域增设多个高耗能传感器节点即3级节点；所述步骤三簇头节点的选取包括以下步骤：(1)随机选取10％的1级节点作为2级节点，2级节点采用SEP协议中高级节点的初始设置[20]；(2)1级和2级节点参与簇头选举时采用传统LEACH协议的选簇概率和模型，即该部分簇头数目占1级和2级节点总数的10％；(3)3级节点直接作为簇头节点，即选簇概率为100％。

与现有技术相比本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，网络寿命提高50％以上，并且存活的节点数目在整个生存周期中都明显高于其他两种协议(参见图2网络生存周期比较图)。

附图说明

图1是城市综合管廊各级别传感器布局示意图；

图2是网络生存周期比较图；

图3是簇头数目与时间变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至3，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。

本发明是一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道，将n个普通耗能传感器节点即1级节点随机均布在长矩形区域A内，在所述中间通路的去除中段B的区域增设多个高耗能传感器节点即3级节点；所述步骤三簇头节点的选取包括以下步骤：(1)随机选取10％的1级节点作为2级节点，2级节点采用SEP协议中高级节点的初始设置[20]；(2)1级和2级节点参与簇头选举时采用传统LEACH协议的选簇概率和模型，即该部分簇头数目占1级和2级节点总数的10％；(3)3级节点直接作为簇头节点，即选簇概率为100％。作为优选，在上述个技术方案中，所述长矩形区域A的长宽比优选为25∶(0.8～1.8)。

这里需要说明的是，城市综合管廊的构成要素复杂多变。谭忠盛等指出，在综合管廊较为发达的国家，例如新加坡，城市综合管廊建设管理需要囊括电信公司、直饮水公司、再生水公司、区域供冷公司、气动垃圾输送和电力公司[12]。对应的管道包括光纤管道、饮用水管道、污水管道、供冷管道、气动垃圾管道和电力电缆管道。通过表1中列举的传感器可以看出，这些类型传感器已经囊括大部分管廊中通用管道检测所需要的传感器。另外，黄俊杰等指出，以深圳市为例，由于城市各区域的建设条件、建设强度、管线需求和建设重点等条件差异可将综合管廊建设区域划分为优先建设区、宜建区、慎建区[13]，指导各类区域内综合管廊系统布局和规模控制。所以说，城市综合管廊的布局是因地制宜的。而本申请并没有确定为某一特定城市。具有共性的是，城市综合管廊建设中基本都具有天然气管道、电力管道、给排水管道、通信光纤和供热管道。查阅管廊建设相关文献知，管廊舱室内的不同管线在监控参数上有所重叠。即对于不同城市的适应性，在传感器种类(例如温度、湿度、水位、气体等)上是相同的。传感器相当于节点的感知器，通过连接多种类型传感器来对城市综合管廊中管道运行状态的多种参数进行采集，并将采集到的数据发送给相关控制模块进行处理。处理器对节点各部分的工作进行协调和控制，对采集到的不同参数数据做相同格式处理，传输到通信单元进行发送。所以，在传感器种类相近、数据格式互通的情况下，根据不同城市对管线具体负载能力的要求不同，适应性体现在不同类型传感器数量的差异上。查阅相关文献，管道检测中常用传感器各项性能参数如表1所示。

表1综合管廊各类型传感器性能指标表

由此可见，电力管道、供热管道、给排水管道、天然气管道、通信光纤管道所需的传感器耗能是高低不同的。实验仿真结果表明，对城市综合管廊各种类管道布局时采用在区域A中间通路铺设传感器耗能高的管道(如电力管道、供热管道)，再逐渐向两侧递减的模型(给排水管道、天然气管道、通信光纤管道)，节点死亡较慢，能耗最优(参见图1城市综合管廊各级别传感器布局示意图，图2网络生存周期比较图)。

本发明所述的1级节点，对应于低等和中等能耗需求的传感器，3级节点对应于高等能耗需求的传感器。在所述中间通路的去除中段B的区域增设多个高耗能传感器节点即3级节点，这种技术方案与传统的节点设置相比，在距离基站节点相同距离的区域内，管廊环境的部署面积小的多。之所以中段B不增设3级节点，是因为a)上述的部署面积减小，即节点传输压力小；b)本发明并不需要将接近基站的节点作为多跳中转节点，所以不会形成热点区域，即不需要在靠近基站区域部署3级节点来分散数据传输压力；该中段B的长度最好取2do，由于区域边界的划定，需要考虑通信代价，分析能耗模型发现，当d≤do的区域，节点采用自由空间传输模型，其能耗远低于多径传输模型，其中do是自由空间与多径模式下切换的阈值，

E_fs＝10*0.000000000001和E_amp＝0.0013*0.000000000001分别表示自由空间和多径模型的功率放大电路能耗系数，d是发送节点到接收节点间的距离。所以说，在所述区域增设3级节点，能够a)有效增加远端的能量密度，克服距离因素影响，延迟死亡节点的出现。b)有效增加网络远端的簇头数目，增强网络数据传输能力和保护网络完整性。；3级节点的增设数量优选为总节点数目的7％-13％。

所述步骤三，随机选取10％的1级节点作为2级节点，2级节点采用SEP协议中高级节点的初始设置，1级和2级节点参与簇头选举时采用传统LEACH协议的选簇概率和模型，3级节点直接作为簇头节点，这种技术方案，首先有效避免了“能量空洞”问题的出现。其原因在于，“能量空洞”出现是由于接近基站的节点频繁地向基站转发其他节点发送而来的信息，而造成靠近基站节点提前死亡的现象。在本技术中，并不需要将接近基站的节点作为多跳中转节点，远端的3级节点有足够性能支撑信息的发送，所以不会形成能量空洞。其次，由于3级节点的引入，使得网络远端的1级和2级节点拥有更多时间参与信息的收集，从而保护了网络的完整性。最后，3级节点的增设，使其天然成为固定簇头，原有网络中的簇头总数发生改变(参见图3簇头数目与时间变化曲线示意图)，增强了网络的数据传输能力。在步骤四中，1级和2级节点完成簇头选取后，簇头广播自己成为簇头的消息，非簇节点选择加入成簇。本发明的上述协议，简称LEACH-HC协议。

Claims (1)

1.一种提高城市综合管廊中无线传感器网络数据传输质量的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，其特征在于，

所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道，将n个普通耗能传感器节点即1级节点随机均布在长矩形区域A内，在所述中间通路的去除中段B的区域增设多个高耗能传感器节点即3级节点，所述B＝2do，其中do是自由空间与多径模式下切换的阈值,

E_fs＝10*0.000000000001和E_amp＝0.0013*0.000000000001分别表示自由空间和多径模型的功率放大电路能耗系数；

所述步骤三簇头节点的选取包括以下步骤：(1)随机选取10％的1级节点作为2级节点，2级节点采用SEP协议中高级节点的初始设置；(2)1级和2级节点参与簇头选举时采用传统LEACH协议的选簇概率和模型，即该部分簇头数目占1级和2级节点总数的10％；(3)3级节点直接作为簇头节点，即选簇概率为100％。

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