适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法技术

本发明专利技术提供适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法；该修复方法包含两个阶段：修复路径建立和修复节点布置；其一：基于路径裁剪的修复路径生成方法，根据所有互不连通的水下子网络的位置分布特征，构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径；其二：基于贪心移动的自适应水下修复节点布置方法，使节点间链路满足传输成功率要求的前提下，减少修复节点部署数量；经过上述两个步骤后，水下无线传感器网络拓扑能够被修复；该方法可以根据水下通信信道以及水流运动特征为水下无线传感器网络进行拓扑连通修复，能够提高传输可靠性的同时减少修复节点部署数量。靠性的同时减少修复节点部署数量。靠性的同时减少修复节点部署数量。

【技术实现步骤摘要】
适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法

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[0001]本专利技术主要涉及水下无线传感网络
，尤其涉及适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法。

技术介绍
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[0002]水下无线传感器网络是获取海洋数据的重要途径之一，它能够实时、便捷的为各种海洋应用场景提供所需要海洋数据，例如海啸预警、鱼群监测、海底资源勘探、辅助导航以及水下入侵检测等。水下无线传感器网络通常包括水下数据感知、水下数据传输、水面数据汇聚、以及数据处理和应用四个环节。在一个典型的水下数据产生和水下传输过程中，水下传感器节点首先将有价值的水下信息数据进行感知，然后通过多跳传输方式或水下移动节点辅助收集方式将这些数据传递到水面汇聚节点。由于水下移动节点通常是移动缓慢的，因此多跳传输方式更适用于时延敏感数据的传递。
[0003]本专利技术应用场景为多跳传输方式的水下无线传感器网络。许多水下无线传感器网络通常部署在复杂多变且无人现场监管的海洋环境中，受到海洋环境因素或敌对势力的蓄意破坏易导致大量水下传感器节点失效，从而使整个水下无线传感器网络被分化成若干个互不连通的子网络，这将致使许多具有重要价值且时延敏感的水下数据无法继续被及时的发送到水面汇聚节点。如何对遭受破坏后的互不连通的子网络进行修复，使其能够可靠的向水面汇聚节点发送数据是非常具有挑战性的工作。主要原因有两点，首先，低质量的水下无线信道容易造成数据在转发过程中的重传问题，严重影响数据效率和成功率。其次，洋流运动引起的水下节点移动易干扰拓扑修复过程，并破坏网络拓扑连通性，降低水下无线传感器网络的数据传输的可靠性。
[0004]水下无线传感器网络拓扑修复的常用方法之一是部署额外的水下修复节点去连通所有互不连通的子网络和水面汇聚节点，使水下数据能够继续被可靠的发送到水面汇聚节点。通过对相关调研，现有的水下无线传感器网络拓扑修复策略主要考虑如何部署最少数量的水下修复节点去连通所有互不相连的水下子网络，缺乏考虑水下信道特征引起的通信质量差以及动态水流引起的中继节点位置偏移对传输可靠性的影响。如期刊论文“ATCFS:Effective Connectivity RestorationScheme for Underwater AcousticSensor Networks”提出了一种以最小化部署成本(部署最少数量的水下修复节点)为目的水下无线传感器网络连通修复策略。该论文设计一种基于最小生成树和费马点选择的启发式策略，在该策略运行过程中，水面修复节点下沉到指定深度去修复网络拓扑连通性。但是，该策略网络模型简单，没有考虑水下信道质量以及水流运动对于部署成本和部署效果的影响，易造成修复完成的网络的传输可靠性差以及修复节点部署成本高等问题。针对现有水下无线传感器网络的拓扑修复策略所存在的问题，本专利技术提出了适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法；它能有效保证网络传输可靠性，并降低部署成本。

技术实现思路
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[0005]为了解决现有技术问题，本专利技术提供适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，它能够通过分析水下子网络位置分布特征以及洋流运动特征，去尽可能少的部署修复节点，使网络恢复连通的同时具有可靠的数据传输性能。
[0006]本专利技术采用具有水下全向移动能力的水下移动设备作为水下修复节点去修复网络拓扑。本专利技术包含两个阶段：修复路径建立和修复节点布置。首先在修复路径建立阶段，本专利技术设计了一个基于路径裁剪的修复路径生成方法，根据水下子网络的位置分布特征，构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径。该路径不仅能够修复水下子网络到水面汇聚节点的连通性，而且能够有效减少子网络到水面汇聚节点的传输跳数。然后在修复节点布置阶段，本专利技术设计了一个基于贪心移动的自适应水下修复节点布置方法，使节点间链路满足传输成功率要求的前提下，减少修复节点部署数量。经过上述两个步骤后，水下无线传感器网络拓扑能够被修复。如果海洋环境发生突变后，可以再次按照上述步骤进行网络拓扑修复。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，所述网络拓扑修复方法根据所有互不连通的水下子网络的位置分布特征构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径阶段过程：包括如下步骤：
[0009]步骤101：选定每个水下子网络的簇首节点并设定所有簇首节点的连接状态为激活状态；
[0010]步骤102：判断每个水下传感器节点到水面汇聚节点在时间段t内是否是传输可靠，若传输可靠的，则该水下传感器节点代替原先其所在水下子网络的簇首节点成为该水下子网络的新簇首节点，并将自身连接状态改为休眠状态；否则，进入下一步103；
[0011]步骤103：将汇聚节点设定为目标点，并定义一个空集合为该目标点的执行集合；将所有处于激活状态的簇首节点存入目标点执行集合中，并对目标点执行集合的簇首节点按照各自到达点目标点的欧式距离从大到小进行排序；
[0012]步骤104：选择目标点执行集合中排名最前面的且处于激活状态的簇首节作为当前执行节点，并定义两个空集合分别作为该执行节点的候选随从集合和随从集合；将目标点执行集合中其它处于激活状态的簇首节点存入该当前执行节点的候选随从集合中，对该当前执行节点的候选随从集合的簇首节点按照各自到达该执行节点的欧式距离从小到大进行排序；
[0013]步骤105：依次判断在当前执行节点的候选随从集合中的每个簇首节点是否能够加入到该执行节点的随从集合中过程：
[0014]将当前执行节点作为第一个元素存入它的随从集合中；
[0015]选择候选随从集合中排名最前面的簇首节点作为候选节点，并计算当前执行节点的随从集合中所有元素与目标点组成的数据集的1
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中位点；
[0016]计算该数据集所有元素到该1
‑
中位点的距离和，并记为d1，计算候选节点到汇聚节点的距离，并记为d2，计算当前执行节点EN随从集合中所有元素、目标点G与候选节点CA组成的数据集的1
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中位点，计算该数据集所有元素到该1
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中位点的距离和，并记为d3；
[0017]对比d1，d2，d3之间的关系，若d3<d1+d2，则将该候选节点添加到当前执行节点的随
从集合中，并将该候选节点从执行集合中删除；
[0018]无论是否被添加到当前执行节点的随从集合中，该候选节点都从当前执行节点的候选随从集合中删除；重复该步骤直至当前执行节点的候选随从集合变为空集；
[0019]步骤106：重复步骤104
‑
105直至执行集合变为空集；
[0020]步骤107：根据每个随从集合中的簇首节点信息，构建拓扑修复路径的过程；
[0021]步骤108：对于任意一个随从集合，将其对应的1
‑
中位点作为新的目标点，并将这个随从集合变为执行集合；
[0022]步骤109：执行上述步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，其特征在于，所述网络拓扑修复方法根据所有互不连通的水下子网络的位置分布特征构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径阶段过程：包括如下步骤：步骤101：选定每个水下子网络的簇首节点并设定所有簇首节点的连接状态为激活状态；步骤102：判断每个水下传感器节点到水面汇聚节点在时间段t内是否是传输可靠，若传输可靠的，则该水下传感器节点代替原先其所在水下子网络的簇首节点成为该水下子网络的新簇首节点，并将自身连接状态改为休眠状态；否则，进入下一步103；步骤103：将汇聚节点设定为目标点，并定义一个空集合为该目标点的执行集合；将所有处于激活状态的簇首节点存入目标点执行集合中，并对目标点执行集合的簇首节点按照各自到达点目标点的欧式距离从大到小进行排序；步骤104：选择目标点执行集合中排名最前面的且处于激活状态的簇首节作为当前执行节点，并定义两个空集合分别作为该执行节点的候选随从集合和随从集合；将目标点执行集合中其它处于激活状态的簇首节点存入该当前执行节点的候选随从集合中，对该当前执行节点的候选随从集合的簇首节点按照各自到达该执行节点的欧式距离从小到大进行排序；步骤105：依次判断在当前执行节点的候选随从集合中的每个簇首节点是否能够加入到该执行节点的随从集合中过程：将当前执行节点作为第一个元素存入它的随从集合中；选择候选随从集合中排名最前面的簇首节点作为候选节点，并计算当前执行节点的随从集合中所有元素与目标点组成的数据集的1
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中位点；计算该数据集所有元素到该1
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中位点的距离和，并记为d1，计算候选节点到汇聚节点的距离，并记为d2，计算当前执行节点EN随从集合中所有元素、目标点与候选节点组成的数据集的1
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中位点，计算该数据集所有元素到该1
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中位点的距离和，并记为d3；对比d1，d2，d3之间的关系，若d3<d1+d2，则将该候选节点添加到当前执行节点的随从集合中，并将该候选节点从执行集合中删除；无论是否被添加到当前执行节点的随从集合中，该候选节点都从当前执行节点的候选随从集合中删除；重复该步骤直至当前执行节点的候选随从集合变为空集；步骤106：重复步骤104
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105直至执行集合变为空集；步骤107：根据每个随从集合中的簇首节点信息，构建拓扑修复路径的过程；步骤108：对于任意一个随从集合，将其对应的1
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中位点作为新的目标点，并将这个随从集合变为执行集合；步骤109：执行上述步骤103
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108，直至该随从集合对应的执行集合变为空集；步骤110：重复步骤109，直至所有随从集合对应的执行集合变为空集；步骤111：重复上述步骤109
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110，直至所有簇首节点的连接状态为休眠状态；将上述步骤中生成的所有目标点存入分支点集合的空集合中。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春凤，赵昭，曲雯毓，张肇玮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：