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基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法技术

技术编号:21205872 阅读:22 留言:0更新日期:2019-05-25 03:03
本发明专利技术主要涉及水声传感网技术领域,为加强对重点监测区域的监控力度,在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗。本发明专利技术,基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法,步骤如下:一、拓扑生成阶段;二、数据传输阶段:传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输,以保证数据的传输能耗最少,当路径的传输概率PRc(i,CHk)>ζ时,表示节点Vi发送的数据被成功接收,ζ为阈值常数,CHk表示第k个簇头节点,PRc(i,CHk)表示从节点Vi到簇头节点CHk的某条路径的通信概率;当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时,表示该节点死亡,利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。本发明专利技术主要应用于水声传感网。

Robust Topology Generation Method Based on Underwater Acoustic Sensor Networks

The invention mainly relates to the technical field of underwater acoustic sensor network. In order to strengthen the monitoring of key monitoring areas, the node energy consumption is balanced while improving the network robustness. The method of robust topology generation based on underwater acoustic sensor network has the following steps: first, the stage of topology generation; second, the stage of data transmission: the data collected by sensor nodes are transmitted according to the optimal path selected by greedy algorithm to ensure the least energy consumption of data transmission. When the transmission probability of path PRc (i, CHk) > _, the data sent by node Vi is received successfully. _is a threshold constant, CHk denotes the K cluster head node, PRc (i, CHk) denotes the communication probability of a path from the node Vi to the cluster head node CHk, and when the residual energy of a node in the key area is less than 0, CHk denotes the death of the node, and the replacement algorithm is used to ensure the global coverage of the key area. The invention is mainly applied to underwater acoustic sensor network.

【技术实现步骤摘要】
基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法
本专利技术主要涉及水声传感网
,特别是拓扑控制
具体涉及基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法。
技术介绍
水声通信的传输网络是相关海洋数据获取的重要环节,高效、稳定、可靠的海洋信息传输技术将大力支撑多种海洋科学场景,如环境监测与生态保护、资源探索与开拓、港口管理和军事防御等,网络技术在水声通信领域有着举足轻重的地位。其中,网络拓扑控制是数据传输的基础,为数据的可靠传输提供技术支撑。它的主要任务是在满足网络连通性和网络覆盖性的条件下,使得网络中各个节点依据给定的规则从它的物理邻居节点间选取合适的逻辑邻居节点,形成一个优化的网络结构,以达到优化网络性能的目的。通过拓扑控制技术可以有效均衡和降低网络能耗、保证网络的整体连通性、降低网络通信干扰以及提高网络整体的可靠性,为网络上层应用提供良好基础。因此,设计合理可靠的拓扑控制算法对于水下无线传感器网络具有重要的科学和实际意义。水下复杂的地理形态及空间媒介形态和水声特质的极大限制,导致水下网络面临着比陆地更严峻的难题与挑战。水声通信能耗大、能量补给及节点更换困难;水声信道的多普勒效应,具有很强的时-空变化,造成网络频繁中断;水下传感器网络常因能量耗尽、硬件故障或遭到破坏等原因导致节点失效,使得原本连通的网络分割,影响网络的全局连通性。因此,水下网络的拓扑控制与优化问题远比地面传感器网络复杂。本专利技术提出了基于无标度网络和刚性图理论的水下健壮拓扑的生成策略,在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗,并设计失效节点的替换算法保证重点监测区域的全局覆盖。
技术实现思路
为克服现有技术的不足,本专利技术旨在提出拓扑控制技术方案,加强对重点监测区域的监控力度,在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗。为此,本专利技术采取的技术方案是,基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法,步骤如下:一、拓扑生成阶段水声传感器网络中靠近簇头的节点承担更多的转发任务,在拓扑生成阶段首先利用复杂网络理论生成网络拓扑,然后在重点区域构建刚性图,最后将孤立节点或连通子图连接到刚性图,生成水下传感器网络的初始拓扑,网络的节点度服从幂率分布;二、数据传输阶段传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输,以保证数据的传输能耗最少,当路径的传输概率PRc(i,CHk)>ζ时,表示节点Vi发送的数据被成功接收,ζ为阈值常数,CHk表示第k个簇头节点,PRc(i,CHk)表示从节点Vi到簇头节点CHk的某条路径的通信概率;每隔10秒,根据节点的剩余能量调整最优刚性图的拓扑结构,以均衡节点间的能耗;当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时,表示该节点死亡,影响重点区域的覆盖度和连通性,利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。进一步地,1、边缘构造模型依据边缘构造模型计算水下传感器网络中边的连接概率:其中Pij表示节点Vi与节点Vj的连接概率,d(i,j)表示节点Vi与节点Vj的距离,PC(i,j)表示节点Vi与节点Vj的通信概率,PS(i,j)表示节点Vi与节点Vj的感知概率,C,α,β,γ,δ皆为常数,D为水域的体积,表示为|D|=L*W*H,L为水域长度,W为水域宽度,H表示水域的深度,N表示传感器节点总数;2、最优刚性图理论定义规模各不相同的水下重点监测区域,并选择能全局覆盖重点区域的最少节点数来构建最优刚性图,重点区域的其他节点切换到休眠状态,即只转发但不采集信息;最优刚性图利用刚度矩阵来构建,3维水下空间的刚性矩阵定义如下:矩阵中的每一行代表刚性图中的一条边,q表示顶点的3维坐标;3、BA增长模型BA增长算法包括两部分。■增长:确定最优刚性图中的节点数目为m,将孤立节点或连通子图的顶点连接到刚性图的m0个节点,且m0<m:■优先连接:孤立节点或连通子图的顶点以概率连接到刚性图节点,其中de表示节点度,N表示节点总数,当连接概率相等时,连接到剩余能量更大的节点;4、替换算法当节点Vi的剩余能量低于0时,计算其他剩余节点与Vi邻近节点的覆盖范围,使得启用最少的邻近节点仍能保证重点区域的全局覆盖,将选择的最少的邻近节点的状态切换为唤醒状态,代替失效节点完成数据的收集与传输功能,并根据新节点的剩余能量重新构建最优刚性图。第一阶段中具体步骤如下。1)利用边缘构造模型计算每条边的连接概率Pij,根据概率Pij连接节点Vi与Vj形成符合复杂网络特性的网络拓扑;2)定义规模不同的重点监测区域,并在重点监测区域构建最优刚性图,以均衡节点能耗;3)确定最优刚性图中的节点数目及孤立节点和连通子图的节点数目,根据BA(Barabsi-Albert)无标度网络的增长模型将孤立节点和连通子图连接到刚性图节点。本专利技术的特点及有益效果是:本专利技术提出了基于无标度网络和刚性图理论的水下健壮拓扑的生成策略,在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗,并设计失效节点的替换算法保证重点监测区域的全局覆盖。加强了对重点监测区域的监控力度,在提高网络鲁棒性的同时能够均衡节点能耗。附图说明:图1为水下网络拓扑的结构设计;图2为拓扑生成的流程图;图3为数据传输流程图;图4为水下传感器网络寿命对比直方图;图5为重点区域的节点密度折线图;图6为水下传感器网络鲁棒性折线图。具体实施方式为提高水下传感器网络鲁棒性的同时降低节点能耗,本专利技术提出了一种基于无标度网络和刚性图理论的健壮拓扑生成策略,利用无标度网络和刚性图的优点优化网络部署,并设计了失效节点的替换算法保证重点区域的全局覆盖。本专利技术的健壮拓扑策略由拓扑生成阶段和信息传输阶段组成。1、拓扑生成阶段水声传感器网络中靠近簇头的节点承担更多的转发任务。在拓扑生成阶段首先利用复杂网络理论生成网络拓扑,然后在重点区域构建刚性图,最后将孤立节点或连通子图连接到刚性图,生成水下传感器网络的初始拓扑,网络的节点度服从幂率分布。具体步骤如下。1)利用边缘构造模型计算每条边的连接概率Pij,根据概率Pij连接节点Vi与Vj形成符合复杂网络特性的网络拓扑。2)定义规模不同的重点监测区域,并在重点监测区域构建最优刚性图,以均衡节点能耗。3)确定最优刚性图中的节点数目及孤立节点和连通子图的节点数目,根据BA(Barabsi-Albert)无标度网络的增长模型将孤立节点和连通子图连接到刚性图节点。2、数据传输阶段传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输,以保证数据的传输能耗最少。当路径的传输概率PRc(i,CHk)>ζ时,表示节点Vi发送的数据被成功接收。ζ为阈值常数。每隔10秒,根据节点的剩余能量调整最优刚性图的拓扑结构,以均衡节点间的能耗。当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时,表示该节点死亡,影响重点区域的覆盖度和连通性。利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。以下结合附图,对依据本专利技术设计的健壮拓扑生成策略的具体方式、结构、特征及作用详细说明如下。1、边缘构造模型本专利技术依据边缘构造模型计算水下传感器网络中边的连接概率,其中Pij表示节点Vi与节点Vj的连接概率,d(i,j)表示节点Vi与节点Vj的距离,PC(i,j)表示节点Vi与节点Vj的通信概率,PS(i,j)表示节点Vi与节点Vj的感知概率,C,α,β,γ,δ皆为常数。根据概率Pij连接节点对,使得网络具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法,其特征是,步骤如下:一、拓扑生成阶段水声传感器网络中靠近簇头的节点承担更多的转发任务,在拓扑生成阶段首先利用复杂网络理论生成网络拓扑,然后在重点区域构建刚性图,最后将孤立节点或连通子图连接到刚性图,生成水下传感器网络的初始拓扑,网络的节点度服从幂率分布;二、数据传输阶段传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输,以保证数据的传输能耗最少,当路径的传输概率PRc(i,CHk)>ζ时,表示节点Vi发送的数据被成功接收,ζ为阈值常数,CHk表示第k个簇头节点,PRc(i,CHk)表示从节点Vi到簇头节点CHk的某条路径的通信概率;每隔10秒,根据节点的剩余能量调整最优刚性图的拓扑结构,以均衡节点间的能耗;当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时,表示该节点死亡,影响重点区域的覆盖度和连通性,利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。

【技术特征摘要】
1.一种基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法,其特征是,步骤如下:一、拓扑生成阶段水声传感器网络中靠近簇头的节点承担更多的转发任务,在拓扑生成阶段首先利用复杂网络理论生成网络拓扑,然后在重点区域构建刚性图,最后将孤立节点或连通子图连接到刚性图,生成水下传感器网络的初始拓扑,网络的节点度服从幂率分布;二、数据传输阶段传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输,以保证数据的传输能耗最少,当路径的传输概率PRc(i,CHk)>ζ时,表示节点Vi发送的数据被成功接收,ζ为阈值常数,CHk表示第k个簇头节点,PRc(i,CHk)表示从节点Vi到簇头节点CHk的某条路径的通信概率;每隔10秒,根据节点的剩余能量调整最优刚性图的拓扑结构,以均衡节点间的能耗;当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时,表示该节点死亡,影响重点区域的覆盖度和连通性,利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。2.如权利要求1所述的基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法,其特征是,进一步地,1、边缘构造模型依据边缘构造模型计算水下传感器网络中边的连接概率:其中Pij表示节点Vi与节点Vj的连接概率,d(i,j)表示节点Vi与节点Vj的距离,PC(i,j)表示节点Vi与节点Vj的通信概率,PS(i,j)表示节点Vi与节点Vj的感知概率,C,α,β,γ,δ皆为常数,D为水域的体积,表示为|D|=L*W*H,L为水域长度,W为水域宽度,H表示水域的深度,N表示传感器节点总数;2、最优...

【专利技术属性】
技术研发人员:曲雯毓广晓芸王晓飞邱铁孙佳艺
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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