一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型，該模型中有背負式基站和車載基站，模擬基站的節點生成場景文件和流量文件。兩種類型的基站根據不同職能特點，生成不同的移動場景和流量文件。模擬車載基站的節點固定在初始位置，模擬背負式基站的節點移動方式是：以當前位置為圓心，在半徑為r的圓內隨機選擇目的地，以隨機速度向目的地出發，到達目的地后停留隨機時間；當有數據信息需要發送時，背負式基站向距離自己最近的車載基站發送數據；需要發送數據的背負式基站以一定的CBR速率持續發送一段隨機時間；車載基站接收到背負式基站發送的消息后，向背負式基站發送指揮中心反饋的消息。本發明提供的節點移動模型可以更真實地模擬出應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡的特殊場景。
【專利說明】
-種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動 模型
技術領域
[0001] 本發明屬于無線自組織網絡通信技術領域，設及一種應急救援中采集現場信息的 基站自組織網絡節點移動模型。
【背景技術】
[0002] 在受災區域部署應急救援系統可W實現災區和指揮中屯、間信息的高效傳輸，有效 提升救援效率。由于固定的通信基礎設施如基站等損毀嚴重，不能支撐信息準確及時地傳 輸，無線自組織網絡在應急救援中應用日趨廣泛。在災區部署由應急通信車和單兵組成的 基站自組織網絡，傳輸現場災情和應急救援等信息非常必要。深入災區現場的單兵可W將 現場災情和幸存群眾信息發給指揮中屯、，便于指揮中屯、針對特殊的應急場景進行救援力量 和物資的分配，提升救援效率，最大限度減少災害帶來的損失。要使現場災情和應急救援等 信息及時且準確地傳輸，就需要研究適合應急救援場景的無線自組織網絡路由協議。研究 路由協議，又需要通過仿真來模擬和評估協議的性能。節點的移動模型主要描述節點在網 絡中的運動狀態，W及節點間發送數據的方式等，在仿真協議過程中，對確定協議性能具有 至關重要的作用。因此，在對應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡協議進行評估前， 必須正確選擇相應的節點移動模型。
[0003] 應急救援中，災難發生沒有規律，所W節點的移動和數據發送狀態都具有很大的 隨機性。場景的特殊性使得現有移動模型很難滿足需求，一定程度上阻礙了相關路由協議 的研究。經過對現有技術文獻的檢索發現，公開號CN 103037390A的專利文獻公開了一種用 于仿真的移動模型，其將仿真區域均勻劃分為若干區域，節點W等同概率選擇一個區域，并 在該區域隨機選擇一個目的地，然后W隨機速度勻速移動，可用于移動自組網的相關研究 中。CN 103167027A的專利文獻公開了一種應急救災場景下單終端的事件驅動的移動模型， 其將網絡因素作為影響道路權值的主要因素，W保證用戶擁有較好的網絡接入。公開號CN 101795460A的專利文獻公開了一種適用于障礙物環境下移動自組網的馬爾可夫移動模型， 其能夠模擬真實環境下節點的運動情況，適用于多種障礙物環境，利用狀態矩陣描述節點 的運動情況，通過調整狀態轉移矩陣中的參數，獲得具有不同特點的運動情況。
[0004] 但是在應急救援中，W上各種方法都沒有根據兩種基站節點的不同職能特點，生 成不同的場景和流量文件。因此，還存在進一步改進的必要。

【發明內容】

[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網 絡節點移動模型，包括車載基站和背負式基站的初始分布位置;在仿真時間內的移動方式， 更加符合自身的不同特點;移動基站的流量和場景類型，滿足應急救援的特殊應用場景。
[0006] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] -種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型，該模型中包括兩 種節點：車載基站節點和背負式基站節點;假設網絡的仿真區域為ΧΧΥ的矩形區域，節點有 效傳輸范圍為R，且有R<x，R<Y;在仿真區域隨機分布固定節點Μ個和移動節點Ν個;其中，固 定節點模擬應急通信車攜帶的車載基站，移動節點模擬單兵攜帶的背負式基站，仿真時間 為Τ;
[0008] 每個節點的初始位置(x〇，y〇)都隨機分布于仿真區域中，且x〇e(0，X)，y〇e(0，Y)， 初始化每個節點的觸發時間為0;初始位置生成后，每個節點按如下步驟生成自己的場景文 件，運里主要分為兩種：
[0009] 1)移動節點
[0010]步驟1 :每個移動節點隨機選擇一個目的地(Xe+l，ye+l)，其中，（Xe+l，ye+l)是W節點 當前位置(xc，y。)為圓屯、，Wr為半徑的圓內隨機選取的點，且目的地的選取服從均勻分布； [0011]步驟2:節點選取下一個目的地后，W速度V行駛至目的地，其中V均勻分布于（0， Vmax)；
[0012] 步驟3 :設置下一個觸發時間Ti，Ti = Ti-l + TrWm，其中，Tr均勻分布于（0， 化usetime)，Pausetime是節點每次運行到目的地之后停留的最大時間，tm是從當前位置運 動到目的地所需的時間，即
[001引步驟4:重復步驟1~3，直到Ti>T為止；
[0014]將W上步驟獲得的數據按照觸發時間順序鏈接成鏈表，該鏈表包含了節點在任一 時刻的運動狀態，如初始位置、目的位置、速度和開始時間等；
[00巧]2)固定節點
[0016] 由于應急救援中道路損毀交通不便，車載基站運行至合適位置便會停止，充當背 負式基站和指揮中屯、間信息傳輸的臨時基站，故在仿真中，隨機分布于仿真區域的固定節 點只需生成初始位置即可；
[0017] 當單兵在災區中采取到有效信息時，就需要發送數據給車載基站，車載基站收到 單兵發來的消息后，會將其整合給外界指揮中屯、，再將指揮消息反饋給該單兵；由于應急場 景中信息的傳輸沒有規律性，故節點發送數據的開始時間和持續時間均是隨機產生，且均 勻分布于特定范圍；
[0018] 21)背負式基站發送消息給車載基站
[0019]設節點S需要發送數據，Μ個車載基站的位置分別為(xi，yi)、（X2，y2)-(XM，yM)^ 要步驟如下：
[0020] 步驟1:背負式基站S需要發送數據給車載基站時，先獲取自身位置(xs，ys)和N個車 載基站的位置扣，71)、^2,72)。'（刪7?)，并據此選取距離自己最近的車載基站，將其作為 數據發送的目的節點D;
[0021] 步驟2:設置數據開始發送的時間tsend和數據發送持續時間tdur，其中，tdur隨機分 布于(0 , tmax );
[0022] 步驟3:背負式基站發送數據的方式;設置本次數據發送的CBR速率和CBR的ID號， CBR的ID號是CBR會話的唯一標識，從0開始，每發生一次C服會話，CBR的ID號就自動加一次； 節點S發送tdur時間后關閉鏈路，等待一段時間內后再選擇發送數據，模擬不定時發送現場 信息情況；
[0023] 步驟5:數據發送完畢后，設置觸發類型為"停止"，對應的觸發時間為tstop，其中， tstop - tsend+tdur ；
[0024] 步驟6:重復步驟1~5，直到仿真結束；
[0025] 將W上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件；
[0026] 22)車載基站反饋消息給背負式基站
[0027] 步驟1:背負式基站在tstop時停止發送數據，車載基站D在tstop的一段隨機時間后， 開始反饋消息給背負式基站S;
[0028] 步驟2:設置反饋消息持續發送時間t'dur;
[0029] 步驟3 :車載基站在t ' stop時停止發送反饋消息，其中，t ' stop = tstopW ' dur ;
[0030] 將W上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件。
[0031] 進一步，所述移動節點發送數據的持續時間在(0，tmax)范圍內服從均勻分布。
[0032] 進一步，固定節點只對向其發送數據的背負式基站反饋消息。
[0033] 本發明的有益效果在于:本發明針對應急救援中的特殊場景構建網絡拓撲，并對 節點的移動類型和流量模式進行優化，使其更符合應急救援的特點，具體體現在：1)應急救 援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型更接近應急場景。實證研究表明，由車 載基站和背負式基站組成的采集現場信息的基站自組織網絡，針對兩種基站的不同特點和 職能，分別生成不同的場景文件和流量文件;2)背負式基站深入災區采集信息，其每次移動 的軌跡有一定規律且收斂于特定范圍，并且自適應選擇距離最近的車載基站進行數據傳 輸;3)背負式基站和車載基站的數據發送持續時間是隨機的，且在仿真周期內隨機產生數 據發送的觸發時間，可W模擬單兵在災區現場不定時發送采集信息及應急通信車向單兵反 饋消息的場景。
【附圖說明】
[0034] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0035] 圖1為背負式基站場景文件生成流程示意圖；
[0036] 圖2為背負式基站發送現場數據流程示意圖；
[0037] 圖3為車載基站發送反饋消息流程示意圖；
[0038] 圖4為應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡架構示意圖；
[0039] 圖5為背負式基站選取移動目的地的方式圖；
[0040] 圖6為場景文件的鏈表格式。
【具體實施方式】
[0041] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0042] 本發明針對車載基站和背負式基站的不同特征，構建更加符合應急救援真實場景 的移動模型。應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡，是由應急通信車(車載基站)和 單兵(背負式基站)構成。通常，在無線自組網仿真中，最常使用的是隨機路點移動模型RWP (Random Waypo int，RWP)。在RWP模型中，節點的移動是相互獨立的，每個節點W隨機選擇的 速度到達一個隨機選擇的目的地，在所有節點中隨機選取有通信需求的節點對，且節點持 續不斷地發送數據，直到能量耗盡為止。然而，該移動模型用在應急救援中，無法滿足真實 場景需求。本發明提出一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型，根 據車載基站和背負式基站的不同移動方式和特征，建立合適的移動模型，更好地模擬出真 實場景的特點。
[0043] 應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型的設計，主要分為兩個 部分：
[0044] 1、場景文件生成
[0045] 圖1為背負式基站場景文件生成流程示意圖，根據車載基站和背負式基站在應急 救援中的不同特點和職能，基站自組織網絡分為兩類節點：模擬車載基站的固定節點和模 擬背負式基站的移動節點。假設：網絡的仿真區域為XXY的矩形區域，節點的有效傳輸范圍 為R，且有R<X，R<Y。在仿真區域均勻分布Μ個固定節點及N個移動節點，仿真時間為T。節點運 動產生的相關數據組成節點的場景文件，其生成主要有W下幾個步驟：
[0046] 步驟1:車載基站和背負式基站的分布。在ΧΧΥ的受災區域中，隨機分布Μ個車載基 站和Ν個背負式基站。每個節點的初始位置(xo，yo)都隨機分布于仿真區域中，且x〇e(0，X)， yo E (0，Y)，初始化每個移動節點的觸發時間為0。
[0047] 步驟2:背負式基站的移動模式。單兵攜帶背負式基站深入災區現場，采集現場信 息并將其傳輸至車載基站。設置模擬單兵的移動節點最大移動速度為Vmax，暫停時間為 化usetime。每個移動節點在W當前位置(xc，yc)為圓屯、，Wr為半徑的圓內，隨機選擇一個目 的地(Xc+l，yc+l)。在(0，Vmax)范圍內隨機選取速度V，并W速度V向目的地山+1，7。+1)行進，至1] 達目的地之后，隨機停留一段時間Tr。位置(Xc，y。)和山+1，7。+1)是互相獨立的，選取的目的 地和速度也是相互獨立的。圖2為背負式基站發送現場數據流程示意圖，圖5為背負式基站 選取移動目的地的方式圖。
[004引步驟3:設置下一個觸發時間1\。1\ = 1\-1 + 1\4。，其中，1\均勻分布于（0， 化usetime)，Pausetime是節點每次運行到目的地之后停留的最大時間，tm是從當前位置運 動到目的地所需的時間
[0049] 步驟4:重復步驟1~3,直到Ti>T為止。
[0050] 將W上步驟獲得的數據按照觸發時間順序鏈接成鏈表，該鏈表包含了節點在任意 時刻的運動狀態，如初始位置、目的位置、速度和開始時間等。對于任意移動節點，其數據結 構都包含一個鏈表頭，鏈表頭指向鏈表數據N1，鏈表結構如圖6所示。
[0051] 由于應急救援中道路損毀交通不便，車載基站運行至合適位置便會停止，充當背 負式基站和指揮中屯、間信息傳輸的臨時基站。故在仿真中，隨機分布于仿真區域的固定節 點只需生成初始位置即可。
[0化2] 2、流量文件生成
[0053] 1)當單兵在災區中采集到有效信息時，就需要發送數據給車載基站。設Μ個車載基 站的位置分別為扣，71)、佔，72)-(??，71?)。節點8發送數據的主要步驟如下：
[0054] 步驟1:設置觸發類型為"發送"，找到下一個最小觸發時間tsend，并獲得觸發時間 tsend對應的節點S當前位置信息(Xs，ys);
[0055] 步驟2:獲取Μ個固定節點的位置信息^1，71)、^2,72)-'（測，71?)，計算出與固定節 點的距離：
[0化6]
[0057]步驟3:選出最小距離min(ri，r2,. . .，η)對應的固定節點，并將其設置為數據發送 的目的節點；
[0化引步驟4:設置數據發送持續時間tdur。其中，tdur均勻分布于(0，tmax);
[0059] 步驟5:設置本次數據發送的C服速率和CBR的ID號，CBR的ID號是C服會話的唯一標 識，從0開始，每發生一次邸R會話，邸R的ID號就自動加一次；
[0060] 步驟6:設置觸發類型為"停止"，對應的觸發時間為tstop。其中，tstop = tsendWdur; [OOW] 步驟7 :設置下一個數據發送時間tsend。其中，tsend = tstop+Uait。
[0062] 步驟8:重復步驟1~6，直到仿真結束。
[0063] 2)車載基站收到單兵發來的消息后，會將其整合給外界指揮中屯、，再將指揮消息 反饋給該單兵。圖3為車載基站發送反饋消息流程示意圖。
[0064] 步驟l:tst〇p時背負式基站停止發送數據，車載基站D在tstop后的一段隨機時間 t'wait后，開始反饋消息給背負式基站S;
[0065] 步驟2:持續發送反饋消息t'dur時間；
[0066] 步驟3 : t ' stop時停止發送反饋消息。其中，t ' stop = tstDp+t ' wait+t ' dur。
[0067] 將W上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件。
[006引實施例：
[0069] 圖4為應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡架構示意圖：
[0070] 首先假設:在1000mX500m的受災區域中，隨機分布4個模擬車載基站的固定節點 和60個模擬背負式基站的移動節點。對于任意節點，初始位置都是均勻且隨機分布于受災 區域當中。節點的信號傳輸有效范圍是250m，仿真時間T = 600s。按照如下步驟建立應急救 援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型。
[0071] 步驟1:生成每個節點的初始位置（xo，yo)，范圍分別是x〇e [0.1,999.9]，y〇e [0.1,499.9]。初始化節點觸發時間、運動開始時間、節點ID號和第一次發送數據的時間等， 并將每個節點的初始位置輸出到場景文件emu中；
[0072] 步驟2:初始位置生成成功后，每個節點生成自己的場景文件。由于應急救援中道 路損毀交通不便，車載基站運行至合適位置便會停止，僅充當背負式基站和指揮中屯、間信 息傳輸的臨時基站。故在仿真中，隨機分布于仿真區域的固定節點只需生成初始位置即可。 現在闡述模擬背負式基站的移動節點生成場景文件的方法。
[0073] (1)設置模擬單兵的移動節點最大移動速度為Vmax = 5m/s，節點每次運行到目的地 后的最大暫停時間為化usetime = 20s。每個移動節點在W當前位置(xc，yc)為圓屯、，Wr為半 徑的圓內，隨機選擇一個目的地(XW，y。+1)，如圖5所示。
[0074] (2)選取目的地(xc+i，yc+i)后，在[0.5，引范圍內隨機選取速度V，并W速度V向目的 地行進。到達目的地之后，隨機停留一段時間Tr，其中Tr在(0,20)范圍內均勻分布。位置(Xc， yc)和(Xe+l，ye+l)互相獨立，選取的目的地和速度也是相互獨立的。
[007引（3)設置下一個觸發時間TinTi = Ti-l + tm+tpause，其中，tm為從當前位置運動到目的 地所需的時間
[0076] (4)重復（1)~(3)，直到觸發時間大于仿真時間為止，即Ti>600s。
[0077] 將W上步驟獲得的數據按照觸發時間從小到大的順序鏈接成鏈表，該鏈表包含了 節點在任意時刻的運動狀態（即初始位置、目的位置、速度和開始時間等），然后輸出到場景 文件emu中。
[0078] 步驟3:移動節點S需要發送數據給固定節點時，方法如下：
[0079] (1)設置觸發類型為"發送"，找到下一個最小觸發時間tsend，獲得觸發時間tsend對 應的節點5當前位置^3,73)和4個固定節點的位置^1，71)、^2,72)、^3,73)和^4,74);
[0080] (2)分別計算出與固定節點的距離ri、Γ2、Γ3和Γ4:
[00削 （3)選出最小距離111山片1，。，《^4)對應的固定節點，并將其設置為數據發送的目 的節點D;
[0084] (4)由于單兵在受災區域的信息采集情況不是持續性的，故設置數據發送最大持 續時間tmax = 30s，背負式基站發送數據的持續時間tdur隨機分布于(0,30);
[0085] (5)設置本次數據發送的C服速率和ID號，CBR的ID號是C服會話的唯一標識，從0開 始，每發生一次邸R會話，邸R的ID就自動加一次；
[0086] (6)數據發送完畢后，設置觸發類型為"停止"，對應的觸發時間為tstDp。其中，tstDp -tsend+tdur ;
[0087] ( 7 )設置下一次數據發送時間tsend。其中，tsend = tstop+twait，twait在(ο，90 )范圍內服 從均勻分布；
[0088] (8)重復步驟(1)~(7)，直到仿真結束；
[0089] 將W上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件。
[0090] 步驟4:車載基站收到單兵發來的消息后，會將其整合給外界指揮中屯、，再將指揮 消息反饋給該單兵。方法如下：
[0091] (l)tstop時背負式基站停止發送數據，車載基站D在tst叩后的一段隨機時間twait后， 開始反饋消息給背負式基站S;
[0092] (2)持續發送反饋消息t'dur時間；
[0093] ( 3 ) t ' stop時停止發送反饋消息。其中，t ' stop = tstopWwait+t ' dur。
[0094] 將W上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件。
[00%]最后說明的是，W上優選實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模型，其特征在于:該模 型中包括兩種節點：車載基站節點和背負式基站節點;假設網絡的仿真區域為XXY的矩形 區域，節點有效傳輸范圍為R，且有R〈X，R〈Y;在仿真區域隨機分布固定節點Μ個和移動節點N 個;其中，固定節點模擬應急通信車攜帶的車載基站，移動節點模擬單兵攜帶的背負式基 站，仿真時間為Τ; 每個節點的初始位置(XQ，y〇)都隨機分布于仿真區域中，且(〇，X)，yQe (〇，γ)，初始 化每個節點的觸發時間為〇;初始位置生成后，每個節點按如下步驟生成自己的場景文件， 這里主要分為兩種： 1) 移動節點 步驟1:每個移動節點隨機選擇一個目的地(xc+Uc+i)，其中，（xc+Uc+i)是以節點當前 位置(Xc；，y。)為圓心，以r為半徑的圓內隨機選取的點，且目的地的選取服從均勻分布； 步驟2:節點選取下一個目的地后，以速度v行駛至目的地，其中v均勻分布于(0，Vmax); 步驟3:設置下一個觸發時間Ti，Ti = Ti-i+Tr+tm，其中，Tr均勻分布于（0，Pauset ime)， Pausetime是節點每次運行到目的地之后停留的最大時間，U是從當前位置運動到目的地 所需的時間，即步驟4:重復步驟1~3，直到Ti >T為止； 將以上步驟獲得的數據按照觸發時間順序鏈接成鏈表，該鏈表包含了節點在任一時刻 的運動狀態，如初始位置、目的位置、速度和開始時間等； 2) 固定節點 由于應急救援中道路損毀交通不便，車載基站運行至合適位置便會停止，充當背負式 基站和指揮中心間信息傳輸的臨時基站，故在仿真中，隨機分布于仿真區域的固定節點只 需生成初始位置即可； 當單兵在災區中采取到有效信息時，就需要發送數據給車載基站，車載基站收到單兵 發來的消息后，會將其整合給外界指揮中心，再將指揮消息反饋給該單兵；由于應急場景中 信息的傳輸沒有規律性，故節點發送數據的開始時間和持續時間均是隨機產生，且均勻分 布于特定范圍； 21)背負式基站發送消息給車載基站 設節點S需要發送數據，Μ個車載基站的位置分別為(xi，yi)、（X2，y2)…（XM，yM);主要步 驟如下： 步驟1:背負式基站S需要發送數據給車載基站時，先獲取自身位置(xs，ys)和N個車載基 站的位置⑴^山⑴^:^…"^'并據此選取距離自己最近的車載基站牖其作為數據 發送的目的節點D; 步驟2:設置數據開始發送的時間tse3nd和數據發送持續時間tdur，其中，tdur隨機分布于 (0 , tmax )； 步驟3:背負式基站發送數據的方式;設置本次數據發送的CBR速率和CBR的ID號，CBR的 ID號是CBR會話的唯一標識，從0開始，每發生一次CBR會話，CBR的ID號就自動加一次;節點S 發送tdur時間后關閉鏈路，等待一段時間內后再選擇發送數據，模擬不定時發送現場信息情 況； 步驟5:數據發送完畢后，設置觸發類型為"停止"，對應的觸發時間為tstcip，其中，tstcip = tsend+tdur ; 步驟6:重復步驟1~5，直到仿真結束； 將以上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件； 22)車載基站反饋消息給背負式基站 步驟1:背負式基站在tstcip時停止發送數據，車載基站D在tstcip的一段隨機時間后，開始 反饋消息給背負式基站S; 步驟2:設置反饋消息持續發送時間t ' dur; 步驟3 :車載基站在t ' Stop時停止發送反饋消息，其中，t ' Stop = tstop+t ' dur ; 將以上生成的數據按觸發時間從小到大排序并輸出到流量文件。2. 根據權利要求1所述的一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模 型，其特征在于:所述移動節點發送數據的持續時間在(〇，t max)范圍內服從均勻分布。3. 根據權利要求1所述的一種應急救援中采集現場信息的基站自組織網絡節點移動模 型，其特征在于:固定節點只對向其發送數據的背負式基站反饋消息。
【文檔編號】H04W24/06GK105873088SQ201610177583
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】余翔, 彭幟, 孟艷群, 王詩言
【申請人】重慶郵電大學