一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法。本發(fā)明以節(jié)點深度調(diào)整作為切實可行的移動模式，首先各節(jié)點參照Sink節(jié)點與水面頂點的距離和監(jiān)測水域的深度，確定自身深度；接著，各節(jié)點結(jié)合Sink節(jié)點與水底頂點的距離，參照最小和最大感知半徑，確定自身感知半徑；然后，各節(jié)點逐級增大通信半徑，直至查詢到深度更小的鄰居節(jié)點，并從這些節(jié)點的集合中選擇覆蓋目標數(shù)最少者作為簇頭；最后，簇頭節(jié)點對簇內(nèi)節(jié)點進行休眠和喚醒。相比于現(xiàn)有相關(guān)方法，本發(fā)明更加切實可行，且能對網(wǎng)絡覆蓋率、連通率、能耗大小和均衡、網(wǎng)絡生存周期等指標實現(xiàn)綜合優(yōu)化。
【專利說明】
一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法，屬于水下無線傳感器 網(wǎng)絡覆蓋控制的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]水下無線傳感器網(wǎng)絡（Underwater Wireless Sensor Networks，UWSN)是由一些 具有信息采集、存儲、處理、傳輸功能的水下傳感器節(jié)點以自組織方式形成的監(jiān)測網(wǎng)絡，能 夠?qū)δ繕怂蛲瓿森h(huán)境監(jiān)測、災害預測、資源探測、軍事監(jiān)控等任務，具有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三 維分布式、網(wǎng)絡部署范圍寬廣且節(jié)點密度稀疏、節(jié)點采用聲波作為通信介質(zhì)、節(jié)點易受水環(huán) 境影響而發(fā)生運動、節(jié)點能量有限且難以補充等特點。水下無線傳感器網(wǎng)絡的覆蓋控制問 題，是指在充分考慮上述特點的前提下，結(jié)合具體應用需求，對網(wǎng)絡中節(jié)點的位置、狀態(tài)、路 由等進行合理配置，利用受限的網(wǎng)絡資源取得盡量優(yōu)良的網(wǎng)絡服務。作為構(gòu)建水下無線傳 感器網(wǎng)絡的基本技術(shù)之一，覆蓋控制不僅與網(wǎng)絡監(jiān)測質(zhì)量直接相關(guān)，而且深刻影響著節(jié)點 定位、數(shù)據(jù)壓縮、時間同步等后續(xù)各類協(xié)議和算法的設計，具有重要研究意義，已引起大量 相關(guān)研究。一方面，按照對節(jié)點移動能力的假定，現(xiàn)有水下無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制方法可 分為靜態(tài)覆蓋、深度調(diào)整覆蓋、自由移動覆蓋。靜態(tài)覆蓋，是指節(jié)點不具備移動能力，需借助 人工方式部署至指定區(qū)域。深度調(diào)整覆蓋，是指節(jié)點具備豎直方向上的移動能力，節(jié)點可根 據(jù)需要在三維水域中進行深度調(diào)整。自由移動覆蓋，是指節(jié)點具備各方向上的移動能力，節(jié) 點可根據(jù)需要在三維水域中進行自由移動。靜態(tài)覆蓋所需人力成本過高，且當部署人員難 以進入監(jiān)測水域時，該方法無法適用；自由移動覆蓋過于理想化，該方法通常需借助高成本 的水下自主機器人，目前難以普及；當節(jié)點通過繩索連接于水面浮標(或水底錨)時，通過自 身配備的電機裝置調(diào)節(jié)繩索長度可簡便地實現(xiàn)節(jié)點深度調(diào)整，深度調(diào)整覆蓋已被公認為當 前最切實可行的方法。另一方面，按照監(jiān)測水域是否存在覆蓋需求的差異，現(xiàn)有水下無線傳 感器網(wǎng)絡覆蓋控制方法可分為區(qū)域覆蓋和點覆蓋控制。區(qū)域覆蓋控制是指監(jiān)測水域各區(qū)域 不存在覆蓋需求差異，網(wǎng)絡部署目的是追求對整個監(jiān)測水域?qū)崿F(xiàn)盡量高的覆蓋率。點覆蓋 控制是指監(jiān)測水域各區(qū)域存在覆蓋需求差異，網(wǎng)絡部署目的是追求對監(jiān)測水域中的孤立事 件（又稱目標點）實現(xiàn)盡量高的覆蓋率。針對水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制問題， Aitsaadi等針對不同區(qū)域目標點的分布密度差異，提出網(wǎng)狀線表示法，確定節(jié)點密度，并完 成相應的節(jié)點部署;Xia等提出一種粒子群啟發(fā)的點覆蓋控制方法，通過模擬粒子群行為， 使節(jié)點自主趨向目標點，實現(xiàn)節(jié)點與目標點分布密度的匹配;Jiang等提出一種基于分簇的 點覆蓋控制方法，定義并利用綜合貢獻度，要求綜合貢獻度小的節(jié)點替代在網(wǎng)絡運行中即 將死亡的節(jié)點，延緩網(wǎng)絡覆蓋性能的衰減。然而，上述所有方法均要求節(jié)點能夠自由移動， 缺乏實際可行性;且均難以同時兼顧網(wǎng)絡覆蓋率、連通率、能耗大小與均衡、生存周期等指 標的優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題
[0004] 因此，有必要針對水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制需求，設計一種切實可行的深 度調(diào)整覆蓋控制方法，在盡量充分考慮水下無線傳感器網(wǎng)絡特點的前提下，對網(wǎng)絡覆蓋率、 連通率、能耗大小與均衡、生存周期等指標進行綜合優(yōu)化。
[0005] 技術(shù)方案
[0006] 由于現(xiàn)有水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法均以節(jié)點能夠自由移動為前提，缺 乏實際可行性，本發(fā)明首次針對水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制需求，提出一種更加切實 可行的深度調(diào)整覆蓋控制方法。節(jié)點的移動不再借助昂貴的水下自主機器人等設備，僅需 通過繩索將節(jié)點和水面浮標(或水底錨)相連，并通過電機調(diào)節(jié)繩索長度，完成豎直方向上 的深度調(diào)整。
[0007] 所提出的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法主要包括以下步驟:節(jié)點進行初始 深度調(diào)整;節(jié)點調(diào)整各自感知半徑;節(jié)點調(diào)整各自通信半徑，進行網(wǎng)絡分簇；調(diào)整網(wǎng)絡運行 過程中某些節(jié)點的狀態(tài)與位置。
[0008] 節(jié)點進行初始深度調(diào)整是指當節(jié)點通過船舶均勻部署于監(jiān)測水域的水面后，結(jié)合 自身位置與水面中心位置（即Sink節(jié)點位置)的歐式距離，確定自身初始下潛深度，距離越 遠者下潛深度越大。
[0009] 當節(jié)點完成初始深度調(diào)整后，各節(jié)點進一步結(jié)合自身位置與水面中心位置（即 Sink節(jié)點位置)的歐式距離，確定自身感知半徑，距離越遠者感知半徑越大。
[0010]各節(jié)點確定自身感知半徑后，調(diào)整自身通信半徑，直至尋找到深度更小的鄰居節(jié) 點，之后對周圍監(jiān)測區(qū)域進行感知，確定自身所覆蓋的目標點數(shù)，并從深度更小的鄰居節(jié)點 集合中選擇覆蓋目標點數(shù)最少者作為簇頭，完成網(wǎng)絡分簇。
[0011]各簇頭分析簇內(nèi)各節(jié)點的覆蓋貢獻度，結(jié)合休眠與喚醒機制，要求存在無效覆蓋 的節(jié)點進入休眠狀態(tài)，當某些節(jié)點在網(wǎng)絡運行過程中即將死亡時，簇頭節(jié)點可將休眠節(jié)點 喚醒，延緩網(wǎng)絡覆蓋性能的衰減。
[0012]有益效果
[0013] 本發(fā)明針對水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制需求，提出了一種切實可行的覆蓋控 制方法，綜合考慮了對網(wǎng)絡覆蓋率、連通率、能耗大小與均衡、生存周期等指標的優(yōu)化。具體 說來，本發(fā)明所述方法具有如下有益效果：
[0014] (1)突破了現(xiàn)有水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法在節(jié)點移動能力方面過于理 想化的局限，首次提出在水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制問題中引入節(jié)點深度調(diào)整方案， 使得所提出的方法更加經(jīng)濟、簡便、可行。
[0015] (2)首先，在初始深度調(diào)整與確定感知半徑過程中，各節(jié)點需考慮自身位置與水面 中心位置（即Sink節(jié)點位置）的歐式距離，距離越遠者的下潛深度和感知半徑越大。這可以 確保在最終形成的三維監(jiān)測網(wǎng)絡中，與Sink節(jié)點越接近的區(qū)域節(jié)點密度越大，感知半徑越 ?。慌cSink節(jié)點越遠離的區(qū)域節(jié)點密度越小，感知半徑越大。由于與Sink節(jié)點越接近的節(jié)點 其信息轉(zhuǎn)發(fā)壓力越大（即通信能耗越大），越小的感知半徑將有利減少其感知能耗;此外，在 網(wǎng)絡分簇過程中，由于簇頭節(jié)點將承擔更多信息轉(zhuǎn)發(fā)壓力（即通信能耗更大），因此覆蓋目 標點數(shù)最少者（即感知能耗最少者)將作為簇頭。上述兩個措施均能提高網(wǎng)絡能耗均衡，延 長網(wǎng)絡生存周期。
[0016] (3)不同于常規(guī)方法中對節(jié)點感知半徑與通信半徑采用同構(gòu)處理方式，本發(fā)明對 節(jié)點感知半徑與通信半徑均采用異構(gòu)處理方式。相對于感知半徑同構(gòu)，感知半徑異構(gòu)方式 更加靈活，既能有效減少覆蓋盲區(qū)，提高網(wǎng)絡覆蓋率，又能提高網(wǎng)絡能耗平衡，延長網(wǎng)絡生 存周期;相對于通信半徑同構(gòu)，通信半徑異構(gòu)方式則能有效地確保網(wǎng)絡分簇的順利進行，提 高網(wǎng)絡連通率。
[0017] (4)本發(fā)明提出結(jié)合休眠與喚醒機制，對網(wǎng)絡運行過程中某些節(jié)點的狀態(tài)進行必 要調(diào)整。休眠機制的引入將有效避免無效覆蓋，休眠節(jié)點可通過其自身簇頭節(jié)點直接喚醒， 所帶來的通信能耗較少，有助于延長網(wǎng)絡生存周期。
【附圖說明】
[0018] 附圖1面向點覆蓋需求的水下無線傳感器網(wǎng)絡示意圖
[0019] 附圖2方法實施流程圖
[0020] 附圖3最初階段水面俯視圖 [0021]附圖4節(jié)點感知模型示意圖 [0022]附圖5簇頭選擇示意圖 [0023]附圖6無效覆蓋節(jié)點示意圖 [0024] 具體實施
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施進行更加詳細的描述。
[0026] 圖1是面向點覆蓋需求的水下無線傳感器網(wǎng)絡示意圖，監(jiān)測水域通常采用立方體 建模，X軸方向最大距離為Xm，y軸方向最大距離為ym，Z軸方向最大距離為Zm;節(jié)點可在深度 方向上進行位置調(diào)整，網(wǎng)絡覆蓋對象為監(jiān)測水域中隨機不均勻分布的目標點。本發(fā)明將按 照圖2描述的流程，對節(jié)點位置、狀態(tài)等進行調(diào)整，實現(xiàn)對網(wǎng)絡覆蓋率、連通率、能耗大小與 均衡、生存周期等指標的綜合優(yōu)化。
[0027] 1、為便于收集各傳感器節(jié)點所采集到的信息，Sink節(jié)點通常固定在水面中心，其
，并可按如下公式計算S i nk節(jié)點與水面頂點的距離Di。
[0029]在最初階段，其余傳感器節(jié)點首先均勻地部署于水面上，如圖3所示，此時任意傳 感器節(jié)點si的坐標可表示為si(xi，yi，0)，節(jié)點si計算自身與Sink節(jié)點的距離，參考Sink節(jié)點 與水面頂點的距離Di和監(jiān)測水域深度^，按如下公式計算自身深度h( Sl)，并通過豎直深度 調(diào)整移至對應位置。
[0031 ] 2、當所有傳感器節(jié)點完成初始深度調(diào)整后，各節(jié)點應根據(jù)自身位置設置自身感知 半徑。取Sink節(jié)點與水底頂點的距離出作為參考距離，該距離可按如下公式計算。
[0033]如圖4所示，節(jié)點采用球心感知模型，對于節(jié)點Sl，當目標點與其距離在其感知半 徑Rs(Sl)范圍內(nèi)時，該目標點可被該節(jié)點探測(例如圖中ω，否則目標點無法被該節(jié)點探測 (例如圖中t 2)。此外，由于傳感器節(jié)點需要將所獲取的監(jiān)測信息以單跳或多跳方式發(fā)送至 水面Sink節(jié)點，與Sink節(jié)點距離不同的節(jié)點存在不同的信息轉(zhuǎn)發(fā)壓力，距離越近的節(jié)點將 承擔越重的信息轉(zhuǎn)發(fā)壓力，其通信能耗相對較大。因此，為提高網(wǎng)絡能耗均衡，本發(fā)明提出 對節(jié)點感知半徑進行異構(gòu)處理，結(jié)合實際環(huán)境及硬件條件，設最小感知半徑為R S1，最大感知 半徑為Rsa，可按如下公式確定節(jié)點Si的感知半徑Rs( Si)。
[0035] 3、各節(jié)點確定自身感知半徑后，應進一步確定自身通信半徑。為確保網(wǎng)絡獲得較 高連通率的同時減少節(jié)點間通信干擾，本發(fā)明不同于常規(guī)的節(jié)點通信半徑同構(gòu)處理方式， 提出對節(jié)點通信半徑同樣進行異構(gòu)處理。以節(jié)點 81為例，設其初始通信半徑為Rc^n，通信半 徑增加步長為B。，初始通信級別為Lin= 1，節(jié)點按照如下公式逐級增大其通信級別L(Sl)，以 增大其通信半徑RcXsO,直至尋找到深度小于自身深度的鄰居節(jié)點。
[0036] Rc(si)=Rcin+(L(si)-Lin)XBc (5)
[0037] 然后，各節(jié)點對周圍監(jiān)測區(qū)域進行探測，確定自身所覆蓋的目標點數(shù)目，同時向鄰 居節(jié)點發(fā)送告知信息Mt(包括自身ID、位置、覆蓋的目標點數(shù)目等內(nèi)容）。隨后，各節(jié)點從深 度更小的鄰居節(jié)點中選擇覆蓋目標點數(shù)目最少者作為自身簇頭。由于簇頭承擔較大信息轉(zhuǎn) 發(fā)壓力，通信能耗相對較大，以覆蓋目標點數(shù)目最少者作為簇頭有利于減少其感知能耗，提 高網(wǎng)絡能耗均衡。如圖5所示，節(jié)點 SjPSk均為節(jié)點81的鄰居節(jié)點，二者深度均小于節(jié)點81的 深度，由于節(jié)點~所覆蓋的目標點數(shù)目小于節(jié)點s k，因此節(jié)點~將作為節(jié)點Sl的簇頭，負責 將節(jié)點Sl的在網(wǎng)絡運行過程中獲取的監(jiān)測信息轉(zhuǎn)發(fā)至上層節(jié)點。當各節(jié)點均確立自身簇頭 后，各簇內(nèi)節(jié)點調(diào)節(jié)自身通信半徑，直至能和簇頭通信;各簇頭節(jié)點調(diào)整自身通信半徑，直 至能和所有簇內(nèi)節(jié)點及自身的上層簇頭通信。此時，網(wǎng)絡達到了全連通狀態(tài)。
[0038] 4、各簇頭對自身簇內(nèi)節(jié)點進行進一步檢查，若發(fā)現(xiàn)存在無效覆蓋的簇內(nèi)節(jié)點，簇 頭節(jié)點可要求簇內(nèi)節(jié)點暫時進入休眠狀態(tài)。如圖6所示，在以節(jié)點 S1作為簇頭節(jié)點，節(jié)點S2、 S3、S4作為簇內(nèi)節(jié)點的簇中，目標點t3被節(jié)點S3和S2同時覆蓋，目標點t4被節(jié)點S3和S4同時覆 蓋，因此可認為節(jié)點S3對其監(jiān)測范圍內(nèi)的目標點覆蓋為無效覆蓋，簇頭節(jié)點S1可要求節(jié)點S3 暫時進入休眠狀態(tài)。隨后，網(wǎng)絡開始逐輪運行，每一輪中所有節(jié)點既要監(jiān)測其感知半徑范圍 內(nèi)的目標信息，又要將所獲取的監(jiān)測信息以單跳或多跳方式發(fā)送至水面Sink節(jié)點。當某些 簇內(nèi)節(jié)點因能量耗盡等原因即將衰亡時，簇頭節(jié)點可將休眠節(jié)點喚醒，延緩網(wǎng)絡覆蓋率的 衰減。由于所提出的休眠與喚醒機制僅存在于局部網(wǎng)絡，簇頭節(jié)點可直接要求簇內(nèi)節(jié)點進 入休眠或喚醒狀態(tài)。相比于其余常規(guī)的網(wǎng)絡拓撲重構(gòu)方法，其分布式實現(xiàn)的特點有助于減 少通信能耗，延長網(wǎng)絡生存周期。
【主權(quán)項】
1. 一種新的水下無線傳感器網(wǎng)絡點覆蓋控制方法，其特征在于該方法針對水下無線傳 感器網(wǎng)絡點覆蓋控制需求，首次以切實可行的節(jié)點深度調(diào)整為基礎，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡覆蓋 率、連通率、能耗大小與均衡、生存周期等指標的綜合優(yōu)化;該方法包括以下步驟：（1)對監(jiān) 測水域以立方體建模，Sink節(jié)點固定于水面中心，其余傳感器節(jié)點首先均勻地部署于水面 上，一定數(shù)目的待監(jiān)測目標隨機均勻地分布于三維監(jiān)測水域內(nèi)；各傳感器節(jié)點根據(jù)自身與 Sink節(jié)點的距離，并結(jié)合其余兩個參考距離（即Sink節(jié)點與水面頂點的距離和監(jiān)測水域的 深度），確定自身下潛深度;距離Sink節(jié)點越近的節(jié)點下潛深度越小，反之越大；以此確保與 Sink節(jié)點相距越近的區(qū)域節(jié)點密度越大，反之越??；由于各傳感器節(jié)點均需通過單跳或多 跳方式將所獲取的監(jiān)測信息發(fā)送至Sink節(jié)點，上述方法能有效緩解Sink節(jié)點附近區(qū)域中節(jié) 點的信息轉(zhuǎn)發(fā)壓力，提高網(wǎng)絡能耗均衡； (2) 當完成步驟（1)中的初始深度調(diào)整后，各節(jié)點根據(jù)自身與Sink節(jié)點的距離，結(jié)合 Sink節(jié)點與水底頂點的距離，參照實際環(huán)境及硬件條件下的節(jié)點最小和最大感知半徑，設 置自身感知半徑;不同于常規(guī)的節(jié)點感知半徑同構(gòu)處理方式，該方法實質(zhì)上對節(jié)點感知半 徑進行了異構(gòu)處理，一方面能進一步提高網(wǎng)絡覆蓋率；另一方面能平衡網(wǎng)絡中節(jié)點的感知 與通信負載，使得越接近Sink節(jié)點的傳感器節(jié)點感知負載越小，保留更多能量參與信息轉(zhuǎn) 發(fā)，提尚網(wǎng)絡能耗均衡； (3) 當通過步驟（2)確定感知半徑后，不同于常規(guī)的節(jié)點通信半徑同構(gòu)處理方式，該方 法提出節(jié)點應以逐級增大通信半徑方式查詢到深度更小的鄰居節(jié)點，并從深度更小的鄰居 節(jié)點集合中選擇覆蓋目標數(shù)最少者作為自身簇頭節(jié)點（即信息轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點）;該方法 實質(zhì)上對節(jié)點通信半徑亦進行了異構(gòu)處理，一方面能在盡量減少通信干擾的前提下確保網(wǎng) 絡全連通;另一方面能盡量減少簇頭節(jié)點的感知能耗，提高網(wǎng)絡能耗均衡； (4) 當通過步驟(3)完成網(wǎng)絡分簇后，各簇頭節(jié)點進行分布式地計算和調(diào)度，首先確定 所管轄的簇內(nèi)是否存在無效覆蓋的節(jié)點；若存在，則簇頭節(jié)點要求該類節(jié)點暫時進入休眠 狀態(tài)；隨著網(wǎng)絡逐輪運行，若某些簇內(nèi)節(jié)點因能量耗盡即將死亡，簇頭節(jié)點可直接喚醒休眠 節(jié)點；與其余常規(guī)網(wǎng)絡重構(gòu)方法相比，該方法以局部范圍內(nèi)的節(jié)點間（指簇頭和簇內(nèi)節(jié)點 間）直接通信即可完成網(wǎng)絡拓撲重構(gòu)，能夠減少網(wǎng)絡能耗，延緩網(wǎng)絡覆蓋性能的衰減，延長 網(wǎng)絡生存周期。
【文檔編號】H04W52/02GK106028357SQ201610551435
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】柴俊沙
【申請人】柴俊沙