一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法技术

本发明专利技术涉及一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法。本发明专利技术以节点深度调整作为切实可行的移动模式，首先各节点参照Sink节点与水面顶点的距离和监测水域的深度，确定自身深度；接着，各节点结合Sink节点与水底顶点的距离，参照最小和最大感知半径，确定自身感知半径；然后，各节点逐级增大通信半径，直至查询到深度更小的邻居节点，并从这些节点的集合中选择覆盖目标数最少者作为簇头；最后，簇头节点对簇内节点进行休眠和唤醒。相比于现有相关方法，本发明专利技术更加切实可行，且能对网络覆盖率、连通率、能耗大小和均衡、网络生存周期等指标实现综合优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法，属于水下无线传感器网络覆盖控制的

技术介绍
水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSN)是由一些具有信息采集、存储、处理、传输功能的水下传感器节点以自组织方式形成的监测网络，能够对目标水域完成环境监测、灾害预测、资源探测、军事监控等任务，具有网络结构呈现三维分布式、网络部署范围宽广且节点密度稀疏、节点采用声波作为通信介质、节点易受水环境影响而发生运动、节点能量有限且难以补充等特点。水下无线传感器网络的覆盖控制问题，是指在充分考虑上述特点的前提下，结合具体应用需求，对网络中节点的位置、状态、路由等进行合理配置，利用受限的网络资源取得尽量优良的网络服务。作为构建水下无线传感器网络的基本技术之一，覆盖控制不仅与网络监测质量直接相关，而且深刻影响着节点定位、数据压缩、时间同步等后续各类协议和算法的设计，具有重要研究意义，已引起大量相关研究。一方面，按照对节点移动能力的假定，现有水下无线传感器网络覆盖控制方法可分为静态覆盖、深度调整覆盖、自由移动覆盖。静态覆盖，是指节点不具备移动能力，需借助人工方式部署至指定区域。深度调整覆盖，是指节点具备竖直方向上的移动能力，节点可根据需要在三维水域中进行深度调整。自由移动覆盖，是指节点具备各方向上的移动能力，节点可根据需要在三维水域中进行自由移动。静态覆盖所需人力成本过高，且当部署人员难以进入监测水域时，该方法无法适用；自由移动覆盖过于理想化，该方法通常需借助高成本的水下自主机器人，目前难以普及；当节点通过绳索连接于水面浮标(或水底锚)时，通过自身配备的电机装置调节绳索长度可简便地实现节点深度调整，深度调整覆盖已被公认为当前最切实可行的方法。另一方面，按照监测水域是否存在覆盖需求的差异，现有水下无线传感器网络覆盖控制方法可分为区域覆盖和点覆盖控制。区域覆盖控制是指监测水域各区域不存在覆盖需求差异，网络部署目的是追求对整个监测水域实现尽量高的覆盖率。点覆盖控制是指监测水域各区域存在覆盖需求差异，网络部署目的是追求对监测水域中的孤立事件(又称目标点)实现尽量高的覆盖率。针对水下无线传感器网络点覆盖控制问题，Aitsaadi等针对不同区域目标点的分布密度差异，提出网状线表示法，确定节点密度，并完成相应的节点部署；Xia等提出一种粒子群启发的点覆盖控制方法，通过模拟粒子群行为，使节点自主趋向目标点，实现节点与目标点分布密度的匹配；Jiang等提出一种基于分簇的点覆盖控制方法，定义并利用综合贡献度，要求综合贡献度小的节点替代在网络运行中即将死亡的节点，延缓网络覆盖性能的衰减。然而，上述所有方法均要求节点能够自由移动，缺乏实际可行性；且均难以同时兼顾网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标的优化。
技术实现思路
技术问题因此，有必要针对水下无线传感器网络点覆盖控制需求，设计一种切实可行的深度调整覆盖控制方法，在尽量充分考虑水下无线传感器网络特点的前提下，对网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标进行综合优化。技术方案由于现有水下无线传感器网络点覆盖控制方法均以节点能够自由移动为前提，缺乏实际可行性，本专利技术首次针对水下无线传感器网络点覆盖控制需求，提出一种更加切实可行的深度调整覆盖控制方法。节点的移动不再借助昂贵的水下自主机器人等设备，仅需通过绳索将节点和水面浮标(或水底锚)相连，并通过电机调节绳索长度，完成竖直方向上的深度调整。所提出的水下无线传感器网络点覆盖控制方法主要包括以下步骤：节点进行初始深度调整；节点调整各自感知半径；节点调整各自通信半径，进行网络分簇；调整网络运行过程中某些节点的状态与位置。节点进行初始深度调整是指当节点通过船舶均匀部署于监测水域的水面后，结合自身位置与水面中心位置(即Sink节点位置)的欧式距离，确定自身初始下潜深度，距离越远者下潜深度越大。当节点完成初始深度调整后，各节点进一步结合自身位置与水面中心位置(即Sink节点位置)的欧式距离，确定自身感知半径，距离越远者感知半径越大。各节点确定自身感知半径后，调整自身通信半径，直至寻找到深度更小的邻居节点，之后对周围监测区域进行感知，确定自身所覆盖的目标点数，并从深度更小的邻居节点集合中选择覆盖目标点数最少者作为簇头，完成网络分簇。各簇头分析簇内各节点的覆盖贡献度，结合休眠与唤醒机制，要求存在无效覆盖的节点进入休眠状态，当某些节点在网络运行过程中即将死亡时，簇头节点可将休眠节点唤醒，延缓网络覆盖性能的衰减。有益效果本专利技术针对水下无线传感器网络点覆盖控制需求，提出了一种切实可行的覆盖控制方法，综合考虑了对网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标的优化。具体说来，本专利技术所述方法具有如下有益效果：(1)突破了现有水下无线传感器网络点覆盖控制方法在节点移动能力方面过于理想化的局限，首次提出在水下无线传感器网络点覆盖控制问题中引入节点深度调整方案，使得所提出的方法更加经济、简便、可行。(2)首先，在初始深度调整与确定感知半径过程中，各节点需考虑自身位置与水面中心位置(即Sink节点位置)的欧式距离，距离越远者的下潜深度和感知半径越大。这可以确保在最终形成的三维监测网络中，与Sink节点越接近的区域节点密度越大，感知半径越小；与Sink节点越远离的区域节点密度越小，感知半径越大。由于与Sink节点越接近的节点其信息转发压力越大(即通信能耗越大)，越小的感知半径将有利减少其感知能耗；此外，在网络分簇过程中，由于簇头节点将承担更多信息转发压力(即通信能耗更大)，因此覆盖目标点数最少者(即感知能耗最少者)将作为簇头。上述两个措施均能提高网络能耗均衡，延长网络生存周期。(3)不同于常规方法中对节点感知半径与通信半径采用同构处理方式，本专利技术对节点感知半径与通信半径均采用异构处理方式。相对于感知半径同构，感知半径异构方式更加灵活，既能有效减少覆盖盲区，提高网络覆盖率，又能提高网络能耗平衡，延长网络生存周期；相对于通信半径同构，通信半径异构方式则能有效地确保网络分簇的顺利进行，提高网络连通率。(4)本专利技术提出结合休眠与唤醒机制，对网络运行过程中某些节点的状态进行必要调整。休眠机制的引入将有效避免无效覆盖，休眠节点可通过其自身簇头节点直接唤醒，所带来的通信能耗较少，有助于延长网络生存周期。附图说明附图1面向点覆盖需求的水下无线传感器网络示意图附图2方法实施流程图附图3最初阶段水面俯视图附图4节点感知模型示意图附图5簇头选择示意图附图6无效覆盖节点示意图具体实施下面结合附图对本专利技术的具体实施进行更加详细的描述。图1是面向点覆盖需求的水下无线传感器网络示意图，监测水域通常采用立方体建模，x轴方向最大距离为xm，y轴方向最大距离为ym，z轴方向最大距离为zm；节点可在深度方向上进行位置调整，网络覆盖对象为监测水域中随机不均匀分布的目标点。本专利技术将按照图2描述的流程，对节点位置、状态等进行调整，实现对网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标的综合优化。1、为便于收集各传感器节点所采集到的信息，Sink节点通常固定在水面中心，其坐标可表示为并可按如下公式计算Sink节点与水面顶点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法，其特征在于该方法针对水下无线传感器网络点覆盖控制需求，首次以切实可行的节点深度调整为基础，能够实现对网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标的综合优化；该方法包括以下步骤：（1）对监测水域以立方体建模，Sink节点固定于水面中心，其余传感器节点首先均匀地部署于水面上，一定数目的待监测目标随机均匀地分布于三维监测水域内；各传感器节点根据自身与Sink节点的距离，并结合其余两个参考距离（即Sink节点与水面顶点的距离和监测水域的深度），确定自身下潜深度；距离Sink节点越近的节点下潜深度越小，反之越大；以此确保与Sink节点相距越近的区域节点密度越大，反之越小；由于各传感器节点均需通过单跳或多跳方式将所获取的监测信息发送至Sink节点，上述方法能有效缓解Sink节点附近区域中节点的信息转发压力，提高网络能耗均衡；（2）当完成步骤（1）中的初始深度调整后，各节点根据自身与Sink节点的距离，结合Sink节点与水底顶点的距离，参照实际环境及硬件条件下的节点最小和最大感知半径，设置自身感知半径；不同于常规的节点感知半径同构处理方式，该方法实质上对节点感知半径进行了异构处理，一方面能进一步提高网络覆盖率；另一方面能平衡网络中节点的感知与通信负载，使得越接近Sink节点的传感器节点感知负载越小，保留更多能量参与信息转发，提高网络能耗均衡；（3）当通过步骤（2）确定感知半径后，不同于常规的节点通信半径同构处理方式，该方法提出节点应以逐级增大通信半径方式查询到深度更小的邻居节点，并从深度更小的邻居节点集合中选择覆盖目标数最少者作为自身簇头节点（即信息转发的下一跳节点）；该方法实质上对节点通信半径亦进行了异构处理，一方面能在尽量减少通信干扰的前提下确保网络全连通；另一方面能尽量减少簇头节点的感知能耗，提高网络能耗均衡；（4）当通过步骤（3）完成网络分簇后，各簇头节点进行分布式地计算和调度，首先确定所管辖的簇内是否存在无效覆盖的节点；若存在，则簇头节点要求该类节点暂时进入休眠状态；随着网络逐轮运行，若某些簇内节点因能量耗尽即将死亡，簇头节点可直接唤醒休眠节点；与其余常规网络重构方法相比，该方法以局部范围内的节点间（指簇头和簇内节点间）直接通信即可完成网络拓扑重构，能够减少网络能耗，延缓网络覆盖性能的衰减，延长网络生存周期。...

【技术特征摘要】
1.一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法，其特征在于该方法针对水下无线传感器网络点覆盖控制需求，首次以切实可行的节点深度调整为基础，能够实现对网络覆盖率、连通率、能耗大小与均衡、生存周期等指标的综合优化；该方法包括以下步骤：（1）对监测水域以立方体建模，Sink节点固定于水面中心，其余传感器节点首先均匀地部署于水面上，一定数目的待监测目标随机均匀地分布于三维监测水域内；各传感器节点根据自身与Sink节点的距离，并结合其余两个参考距离（即Sink节点与水面顶点的距离和监测水域的深度），确定自身下潜深度；距离Sink节点越近的节点下潜深度越小，反之越大；以此确保与Sink节点相距越近的区域节点密度越大，反之越小；由于各传感器节点均需通过单跳或多跳方式将所获取的监测信息发送至Sink节点，上述方法能有效缓解Sink节点附近区域中节点的信息转发压力，提高网络能耗均衡；（2）当完成步骤（1）中的初始深度调整后，各节点根据自身与Sink节点的距离，结合Sink节点与水底顶点的距离，参照实际环境及硬件条件下的节点最小和最大感知半径，设置自身感知半径；不同于常规的节点感知半径同构处理方式，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴俊沙，
申请(专利权)人：柴俊沙，
类型：发明
国别省市：浙江;33