CN107071817A - 一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动传感器网络机会转发技术领域，公开了一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，具体包含如下步骤：S1：计算节点稳定值；S11：计算小范围移动的传感器节点的节点稳定值；S12：计算消防员组成的节点的节点稳定值；S13：计算大范围移动的传感器节点的节点稳定值；S2：计算节点之间的比例关系；S3：制定基于稳定性的转发策略。本发明考虑到火灾救援场景的动态性、复杂性，充分利用消防员节点的主动性对消息进行有目的的转发，在不同的网络规模下，本发明可以取得较高的送达率。而且本发明具有较小的网络开销，适用于火灾救援场景。

Description

一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法

技术领域

本发明属于移动传感器网络机会转发技术领域，具体涉及一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法。

背景技术

移动传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由大量小型、低成本的传感器节点相互通信组成的多跳自组织网络。由于其具有快速部署、抗毁性强、实时性等特点，有着越来越广泛的应用前景。在网络中，节点之间的通信链路以一定的概率存在，依赖节点移动带来的通信机会实现数据的转发，但同一时刻可能不存在从传感器节点到目的节点的联通路径，因此网络中的节点依靠“携带-存储-转发”的方式将消息多跳转发，形成一个独立的自组织网络。基于移动传感器网络的特殊性，它适用于无法预先铺设基础网络设施、需要快速自动组网的场景。

传统的路由算法，主要沿着两大基础策略进行：基于冗余的路由算法，将消息通过复制拷贝扩散到网络中，形成多消息储存的路由策略。另一种基于效用值的路由算法，通过效用值的计算为节点转发数据提供参考，筛选一个或者多个转发节点。这类预测算法适用于节点移动有规律的场景。此外，有学者设定了一种特殊的场景，场景中包括移动路径、巡逻警车、人员等遭受自然灾害都有不同程度的损坏，比较了传统算法在普通场景和特殊场景下的表现，指出传统的路由算法在特殊场景下，各项路由指标都有退化，并不能完全适用于特殊场景。目前，关于在特殊场景中机会网络的研究点主要是两个：移动模型和路由算法。其一是通过建立适合于特殊场景的移动模型来反映节点的移动属性，通过分析得出特殊场景节点的接触规律。此类研究主要基于人的社会性，对于不存在移动规律的火灾救援场景而言并不适合。其二是从路由算法本身入手，算法的研究主要是为了提高消息传输的成功率、减少消息的转发延迟。这些假设提出都有一个前提，场景中的主要对象是移动具有一定的规律性的人，对于无规律节点居多的火灾救援场景显然并不适用。

火灾救援场景是移动传感器网络的重要应用场景之一，在发生火灾或者其它灾害后，基础通信设施遭受破坏或无法使用，为了抢险救灾，需要快速获取各区域的信息。这时就需要身处火灾的个人或者可移动的传感器节点来快速布局网络，移动传感器网络的独立组网能力和自组织特点，是火灾救援场景通信的较好选择。但是在火灾救援场景中，存在大量无规则运动的节点。随着节点的加入和退出，节点之间的链接会改变，网络拓扑实时变化。所以，网络中不存在一条完整的路径，如何在动态的路径传递消息是最重要的一个问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的缺点，提出一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法。

为此，本发明提出的技术方案为一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，具体包含如下步骤：

S1：计算节点稳定值；

S11：计算小范围移动的传感器节点的节点稳定值；

S12：计算消防员组成的节点的节点稳定值；

S13：计算大范围移动的传感器节点的节点稳定值；

S2：计算节点之间的比例关系；

S3：制定基于稳定性的转发策略。

进一步，上述步骤S1具体包括以下步骤：

a.计算t时刻到t+1时刻节点与节点之间的距离变化值；

b.选取节点与邻居节点距离变化最小值记作，然后计算距离变化方差；

c.把方差归一化为，并计算出t时刻的稳定因子；

d.根据节点稳定值的大小将节点分为小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点。

进一步，上述步骤S2具体包括以下步骤：

a.估算小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点的送达率；

b.由送达率计算节点之间的比例关系；

c.求出三类节点的个数，其中消防员节点个数是固定的。

进一步，上述步骤S3具体包括以下步骤：

a.通信时利用消防员节点的主动移动能力进行消息转发；

b.极端情况下利用大范围移动节点进行消息转发。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1，本发明考虑到火灾救援场景的动态性、复杂性，充分利用消防员节点的主动性对消息进行有目的的转发。

2，在不同的网络规模下，本发明可以取得较高的送达率。

3，本发明具有较小的网络开销，适用于火灾救援场景。

附图说明

图1为移动传感器网络机会转发方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提出的面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法的主要技术特点是基于稳定性的转发策略其特征在于通过对小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点的送达率的估算，来设定三类节点的比例关系，改变小范围移动节点、大范围移动节点的个数(消防员节点数目通常是固定)，再利用消防员节点的主动移动能力进行消息转发。

现分别说明如下：

1.基于稳定性的转发策略，可以计算节点稳定值，并不断更新转发概率，具体内容如下：

(1)计算节点稳定值

稳定值表示一段时间内节点在网络中的位置稳定性。对于节点V_k，我们通过计算其与邻居节点的距离变化值来确定稳定性，认为节点位置未发生大幅移动且与邻居节点的距离变化值越小，则节点稳定性越好：

假设t时刻节点V_k的坐标为对于邻居节点集合{V_k1、V_k2…V_kn}，分别计算节点V_k和节点V_k1、V_k2…V_kn的矢量差

t+1时刻节点V_k的坐标为依次计算与邻居节点V_k1、V_k2…V_kn的矢量差，

首先，通过式(1)计算t时刻到t+1时刻节点V_k与节点V_k1之间的距离变化值Δ(k,k1)：

特别地，在t时刻如果节点V_k1不是节点V_k的邻居节点，则记为(0,0)。根据式(1)可依次计算出节点V_k与邻居节点V_k2…V_kn之间的距离变化值。

其次，选取节点V_k与邻居节点距离变化最小值记作Δ_min，然后通过式(2)计算距离变化方差S²：

式(2)中Δ(k,ki)表示节点V_k和邻居节点V_ki之间的距离变化值。距离变化方差表示为节点V_k同所有邻居节点的偏离程度大小，接着把方差归一化为并通过式(3)计算出t时刻的稳定因子。

式(3)中，S_(t)表示t时刻的稳定因子，并且有S_(t)∈(0,1]。每个节点都维护着一张稳定值效用表，该表格显示了节点在固定时间内的稳定值大小，当节点之间接触时，会查询对方的稳定值，并且节点的稳定值会随着同邻居节点距离变化而更新，更新公式如式(4)所示：

式中，S_old(t)代表t时刻节点的稳定因子，γ∈(0,1)代表更新常数。当S²＝0时，说明节点同邻居节点保持相对静止，此时节点的稳定值不变；当S²逐渐增大，说明节点的逐渐活跃(稳定性变差)。

(2)更新转发概率

当节点携带消息准备转发时，先将待转发消息广播给通信通信范围内的邻居节点，邻居节点收到消息后，更新转发概率，转发概率更新如式(5)所示：

式(5)中，P_pre(V_i,V_K)表示节点V_i，V_k相遇之前的转发概率，P_i表示[0,1]范围内预设常量。

2.基于稳定性的转发策略，还可以通过对小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点的送达率的估算，来设定三类节点的比例关系，改变小范围移动节点、大范围移动节点的个数(消防员节点数目通常是固定)，再利用消防员节点的主动移动能力进行消息转发。具体内容如下：

(1)给出小范围移动节点数n_s、大范围移动节点数n_l和消防员节点数n_h之间的比例关系如下：

式(6)、(7)中，CR表示三类节点的通信半径，MR_H表示消防员节点的移动半径，MR_L表示大范围移动节点的移动半径，MR_s表示小范围移动节点的移动半径。

然后根据n_s、n_l、n_h之间的比例关系可以求出三类节点的个数：

式(8)中，消防员节点数n_h通常是固定的。

(2)面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：通过计算节点的稳定值，将通信节点分为消防员节点、小范围移动节点和大范围移动节点。

步骤2：合理地设置小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点之间的比例。

步骤3：通信时利用消防员节点的主动移动能力进行消息转发。

步骤4：极端情况下利用大范围移动节点进行消息转发。

(3)通过上述方法，针对不同的节点给出如下解决方案：

情景1：适用于消防员节点将消息转发给小范围移动节点以及小范围移动节点之间相互转发的情形。对于小范围移动节点而言，稳定性越好说明受火灾环境影响的位移越小，此时小范围移动节点作为稳定的中继节点将消息转发出去。当节点携带消息准备转发，将待转发消息广播给通信半径中的邻居节点，邻居节点收到消息后，更新转发概率，稳定性高的节点具有较高的转发概率。

情景2：适用于大范围移动节点将消息转发给消防员节点以及消防员节点之间相互转发的情形。消防员节点的运动具有目的性，将消息转发给这类节点可以保证消息的送达率。

每个节点内部都保存着一个表格LIST，当转发消息的时候，在表格添加记录。当大范围移动节点携带消息并且LIST表格没有转发记录，则将消息转发给附近的消防员节点。消防员节点每次转发消息时，对周围的节点个数进行统计，计算消防员节点、小范围移动节点和大范围移动节点的个数比例，通过改变节点个数的方式达到提高送达率的目的。

情景3：大范围移动节点随机性很强，移动规律不明显，所以一般情况下选择不转发数据给这类节点。

但此类节点存在以下几种情况：

情景3.1一段时间后节点趋于稳定，转变为小范围移动节点，此时的转发策略参考情景1；

情景3.2大范围移动过后消息转发不出去，此时参考情景2；

情景3.3节点保留消息，当遇到目标节点时直接转发。

消防员节点在互相通信范围内转发各自消息，否则通过稳定性高的节点进行多跳转发，当大范围移动节点无法将消息转发出去时，利用消防员节点的主动性将消息转发出去，以期达到理想的转发效果。

需要说明的是，以上情景下的实施方式只是本发明的优选方式，在不违背本发明的精神的前提下所做的任何变形都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，其特征在于包含如下步骤：

S1：计算节点稳定值；

S11：计算小范围移动的传感器节点的节点稳定值；

S12：计算消防员组成的节点的节点稳定值；

S13：计算大范围移动的传感器节点的节点稳定值；

S2：计算节点之间的比例关系；

S3：制定基于稳定性的转发策略。

2.根据权利要求1所述的面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，其特征在于S1具体包括以下步骤：

a.计算t时刻到t+1时刻节点与节点之间的距离变化值；

b.选取节点与邻居节点距离变化最小值记作，然后计算距离变化方差；

c.把方差归一化为，并计算出t时刻的稳定因子；

d.根据节点稳定值的大小将节点分为小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点。

3.根据权利要求1所述的面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，其特征在于S2具体包括以下步骤：

a.估算小范围移动节点、大范围移动节点、消防员节点的送达率；

b.由送达率计算节点之间的比例关系；

c.求出三类节点的个数，其中消防员节点个数是固定的。

4.根据权利要求1所述的面向火灾救援场景的移动传感器网络机会转发方法，其特征在于S3具体包括以下步骤：

a.通信时利用消防员节点的主动移动能力进行消息转发；

b.极端情况下利用大范围移动节点进行消息转发。