一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法技术

本发明专利技术公开了一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法，包括：在给定目标区域的水面随机部署m个相互连通的传感器节点，确定给定目标区域被全覆盖和全连通所需的最少理想图案节点个数n，然后为每个理想图案节点对应的理想图案位置指派水面节点，随后每个匹配节点沉降到相应图案位置的深度，并判断已部署节点是否构成一个连通的网络，如果不是，则搜索不连通网络分区，并进行网络连通度修复；最后，若水面仍存在冗余节点，则将冗余节点用于已部署网络的覆盖空洞修复，并保证水面冗余节点沉降后与水下节点连通。本发明专利技术能够达到传感器节点的一次沉降部署即可实现对水下3D目标区域的覆盖率最大化和网络节点的全连通。

Method for deploying underwater sensor nodes based on ideal pattern model

The present invention discloses a kind of ideal pattern model of underwater sensor nodes based on the settlement of the deployment methods, including: in a given target area surface randomly deployed m connected sensor nodes, determine the target area to be given full coverage and connectivity required at least an ideal pattern of node number n, then the ideal pattern position each node assigned to the surface of ideal pattern nodes, then each node, corresponding to the location of the settlement pattern depth, and determine whether the node has been deployed to form a connected network, if not, then the search is not connected to network partitions, and network connectivity repair; finally, if the water is still there will be redundant nodes. The redundant nodes deployed for network coverage hole repair, and to ensure that the surface settlement after the redundant nodes and underwater node connectivity. The invention can achieve the settlement of the sensor node once, and the coverage rate of the underwater 3D target area can be maximized and the network node can be fully communicated.

【技术实现步骤摘要】
一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法
本专利技术属于无线传感器网络
，更具体地，涉及一种基于理想图案模型的3D水下无线传感器网络部署方法。
技术介绍
随着无线传感器技术的广泛应用，极大地改善了人们的日常生活体验，促进了现代工业制造和武器装备的发展。水下传感器网络(Underwatersensornetworks，USNs)作为无线传感器网络(Wirelesssensornetworks，WSNs)向水下应用的延伸，在海洋环境监测、地质灾害预防、水下资源勘探、水下战术监视、水下武器及巡航器侦察定位等领域有着广阔的应用前景，已引起世界各国政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注。最早开展USNs研究的国家是美国，早在上世纪50年代，美国就在大西洋和太平洋中投入大量经费建设了一个庞大的水声监测系统(SoundSurveillanceSystem，SOSUS)，以实施海洋监测和海洋战术监视。作为美国比较成功的水下网络之一的美国海军海网(Seaweb)水下声学网络是目前应用较早的具有典型代表意义的水下传感器网络项目，美国海军主要将其用于沿海区域的警戒，这种可布放的自主分布系统能够实现命令、控制、通信和导航功能，在反潜战和反水雷领域具有良好的应用效果。此外，日本的地球区域实时监测计划ARENA、欧洲的海洋气象监测网络ESONET、蒙特利海湾研究所MBARI建立的海洋生化监测系统LOBO和海洋监测系统MOOS、北太平洋中铺设的有缆绳海洋监测系统NEPTUNE工程和设在纽约西长岛南部的前沿分析观测网络和遥测系统FRONT等，目标都是通过USNs实现海洋多学科、多要素的综合研究。目前，USNs部署的主要方法包括随机部署、受控部署和移动部署等。一般来说，对于水下复杂多变的海洋环境，同时考虑网络开销和运行成本，USNs网络广泛采用随机部署策略对水下固定锚节点进行初始部署。然而，水下固定锚节点一经部署会被锚固定在水底，只能通过改变自身浮力和节点与锚之间的缆绳长度来改变其所处的深度，而不能改变节点在原始部署后的水平位置，势必影响网络覆盖和连通性能。鉴于以上现实问题，目前所有随机部署优化算法都是经过计算，得出每一个原始部署节点最终合适的水下深度(Z-坐标值)，以满足网络覆盖率最大、网络连通度最高。国外有很多学者专利技术了水下3D传感器网络部署方法，然而这些方法一般均专注于使得网络性能的某一个指标达到最优。以专注于覆盖率最大化的优化算法为例，此类算法主要分为两种：一种是穷举搜索方法，将部署节点在部署区域的不同深度不断进行迭代，直至找到该节点满足网络覆盖率最大时所处的深度。这种方法总能找到网络覆盖率最大的部署方案，但是其算法时间复杂度过高。另一种是减小节点间覆盖区域重叠的方法，一般采用分簇或者抽取样本的方式用一种算法达到节点间重叠区域最小的目的。这种方法的分析过程和计算模型往往较为复杂，属于覆盖率最大化算法中的次优方案。最近，有研究者提出了一些同时保证网络连通度的覆盖率最大化部署算法，主要是基于水面2D连通支配集，在不破坏该连通支配集的基础上选择被支配节点在水下的合适深度，以使得该被支配节点沉降后对区域的覆盖贡献最大。但是这种方法为了不破坏原有的连通支配集而保证网络连通度，因此限制了节点的移动空间，最终导致网络覆盖率得不到有效提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法，以在水下3D传感器网络部署中，保证网络连通度的同时，使得网络覆盖率最大化。为此，本专利技术提供了一种基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，包括以下步骤：(1)在给定目标区域的水面随机部署m个节点，并满足所述m个节点在水面原始部署中已构成一个连通的网络，原始部署的节点坐标集合记为Msurf(Mi.x，Mi.y，Mi.z)，i＝1，2，...，m；(2)按照优化模型对所述给定目标区域进行三维泰森图划分，形成相互共面相切的空间填充多面体，并满足当传感器节点部署于理想图案位置时，所述多面体正好内切于传感器节点的感知球，将图案位置坐标集合记为N(Nj.x，Nj.y，Nj.z)，j＝1，2，...，n；(3)从所述m个节点中指派n个节点沉降到水平方向上相距理想图案位置最近的实际位置，并满足n个指派节点的实际位置与相应的理想图案位置在水平方向上距离偏差总和最小，距离偏差总和记为其中为第i个原始部署节点Mi与第j个理想图案位置Nj之间的水平欧式距离，xij为最佳指派模型的解矩阵，若Mi与Nj为一对匹配节点，则xij＝1，否则xij＝0；(4)判断所述n个指派节点Munder在水下是否构成一个连通的网络，若未构成连通网络，则进行网络连通修复，必要时沉降部分水面节点(令个数为k)到水下，然后更新节点坐标集合Munder(个数为n+k)和M′surf(个数为m-n-k)；若构成连通网络，则判断水面上是否存在冗余节点，即判断m-n-k＝0是否成立，若成立则算法终止，否则继续下一步；以及(5)计算上述步骤(3)和步骤(4)中已沉降节点Munder的三维泰森图多面体晶胞，多面体晶胞C(C1，C2，...，Cn+k)的顶点坐标集合记为所有多面体晶胞中，不能被晶核所覆盖的顶点坐标集合记为Vu，则Vu为水下节点的覆盖空洞点集，沉降所述冗余节点M′surf以修复覆盖空洞，并满足冗余节点沉降后与水下节点Munder连通。进一步地，上述步骤(2)包括以下子步骤：(2-1)采用经典球堆积模型中的菱形十二面体(面心立方格、FCC结构)或截顶八面体(体心立方格、BCC结构)作为优化模型，对目标覆盖区域进行泰森图划分，形成规则泰森多面体(晶胞)，理想图案位置即为晶胞的晶核，多面体边长记为a；(2-2)计算图案位置间最小间距与多面体边长a的关系，假设Rs为传感器节点感知半径，Rc为传感器节点通信半径。若采用FCC结构，泰森多面体为菱形十二面体，其外接球半径ro为内切球半径ri为图案位置间最小间距其中若采用BCC结构，泰森多面体为截顶八面体，其外接球半径ro为图案位置间最小间距其中(2-3)计算图案位置最小个数n，假设目标区域长宽高分别为L、W、H的一个长方体区域，采用FCC结构或BCC结构进行覆盖，图案位置最小个数n分别为：式中[N]表示取不小于N的整数。(2-4)由以上公式结合目标区域坐标范围和节点通信半径、感知半径计算图案位置最小个数n及图案位置坐标集合N(Nj.x，Nj.y，Nj.z)，j＝1，2，...，n。进一步地，上述步骤(3)包括以下子步骤：(3-1)计算原始部署节点Msurf和理想图案位置N两个集合中两两点集的水平欧式距离矩阵D＝[dij]m×n，dij表示第i个原始部署节点Mi与第j个理想图案位置Nj之间的水平欧式距离；(3-2)建立指派问题的数学模型(即最小成本加权二分图最大匹配模型)：满足以下约束条件：xij＝{0，1}，(3-3)求解上述模型的最优解即为随机部署节点与图案位置一对一的指派结果，根据该匹配结果对水面节点进行指派和“沉降”，其表征了水面所有部署节点中最接近理想图案模型的一种结果，该结果使得目标区域覆盖率和网络连通度得到优化。优选地，上述步骤(4)包括以下子步骤：(4-1)搜索沉降节点Munder的不连通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在给定目标区域的水面随机部署m个节点，并满足所述m个节点在水面原始部署中已构成一个连通的网络；(2)按照优化模型对所述给定目标区域进行三维泰森图划分，形成相互共面相切的空间填充多面体，并满足当传感器节点部署于理想图案位置时，所述多面体正好内切于传感器节点的感知球；(3)从所述m个节点中指派n个节点沉降到水平方向上相距理想图案位置最近的实际位置，并满足n个指派节点的实际位置与相应的理想图案位置在水平方向上距离偏差总和最小；(4)判断所述n个指派节点在水下是否构成一个连通的网络，若未构成连通网络，则进行网络连通度修复；若构成连通网络，则判断水面上是否存在冗余节点，若存在所述冗余节点，则继续下一步，否则节点部署结束；以及(5)计算上述步骤(3)和步骤(4)中已沉降节点的三维泰森图多面体晶胞，沉降所述冗余节点以修复覆盖空洞，并满足所述冗余节点沉降后与已沉降的水下节点连通。

【技术特征摘要】
1.一种基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在给定目标区域的水面随机部署m个节点，并满足所述m个节点在水面原始部署中已构成一个连通的网络；(2)按照优化模型对所述给定目标区域进行三维泰森图划分，形成相互共面相切的空间填充多面体，并满足当传感器节点部署于理想图案位置时，所述多面体正好内切于传感器节点的感知球；(3)从所述m个节点中指派n个节点沉降到水平方向上相距理想图案位置最近的实际位置，并满足n个指派节点的实际位置与相应的理想图案位置在水平方向上距离偏差总和最小；(4)判断所述n个指派节点在水下是否构成一个连通的网络，若未构成连通网络，则进行网络连通度修复；若构成连通网络，则判断水面上是否存在冗余节点，若存在所述冗余节点，则继续下一步，否则节点部署结束；以及(5)计算上述步骤(3)和步骤(4)中已沉降节点的三维泰森图多面体晶胞，沉降所述冗余节点以修复覆盖空洞，并满足所述冗余节点沉降后与已沉降的水下节点连通。2.根据权利要求1所述的基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，其特征在于，所述优化模型为面心立方格结构FCC，对应泰森多面体为菱形十二面体，或者所述优化模型为体心立方格结构BCC，对应泰森多面体为截顶八面体。3.根据权利要求2所述的基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括计算全覆盖和全连通所述给定目标区域所需的最少理想图案节点个数n。4.根据权利要求1所述的基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下子步骤：(a)搜索沉降节点Munder的不连通网络分区，按照成员个数由大到小进行排序，依次记为子网S1，S2，...，SK，将子网S1，S2，...，SK投影至水面区域，水面投影子网记...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忠思，王邦，李磊，陈金来，黄辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军蚌埠士官学校，
类型：发明
国别省市：安徽,34