AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法技术

本发明专利技术公开了一种AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法，属于水下通信技术领域。本发明专利技术首先将所有传感器节点被划分为不同的集群，每个集群选举出一个集群头与AUV交互通信；然后AUV前往最近集群，向集群头发送激活数据包，集群头激活后，该集群进入唤醒阶段，之后集群头向成员节点发送唤醒数据包，唤醒数据包内嵌入物理层功率控制的必要信息，集群成员节点根据信息进行功率控制；最后集群进入数据传输阶段，集群成员节点将数据发送至集群头，AUV接收来自集群头的数据包，直至遍历完全部集群。本发明专利技术能够有效协调集群头及集群内节点与AUV之间的数据包传输，减少链路中的数据包冲突，降低水下无线传感器网络的能量消耗。降低水下无线传感器网络的能量消耗。降低水下无线传感器网络的能量消耗。

【技术实现步骤摘要】
AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法


[0001]本专利技术属于水下通信
，具体涉及一种AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法。

技术介绍

[0002]水下无线传感器网络在海洋探索、海洋资源利用、海岸灾害预警等方面发挥着重要的作用。然而，目前水下网络通信过程中缺少有效的MAC协议，使得节点在数据包交互过程中发生碰撞，给节点的调度带来巨大的挑战。
[0003]近年来，随着自主式水下航行器的普及，AUV已经被应用到水下无线传感器网络的管理中来，AUV依靠自身的灵活性，在网络集群间移动以辅助管理集群，然而，在AUV和水下网络集群交互通信的过程中缺少有效的媒体访问控制协议，使得通信过程中数据包冲突增加，信道利用率大大降低。网络集群划分技术是实现网络调度的有效方法，然而将网络划分为不同集群后，集群成员节点的数据发送顺序和等待发送数据包的时间难以确定。此外，水下网络集群在通信过程中往往使用最大传输功率进行数据通信，而实际水下网络节点间使用最大功率通信会引起信道冲突和额外的能量浪费，如何将功率控制方法嵌入到MAC协议的设计中，使得节点可以通过调整它们的功率输出来改变自身的通信距离，从而降低网络的能耗，延长其使用寿命，也是目前水下网络集群交互通信MAC协议设计的难题。
[0004]综上所述，目前AUV和水下网络集群交互通信的MAC协议存在通信过程中数据包经常发生碰撞，使得信道利用率低、网络能耗大、节点间通信调度困难等问题。因此，设计一种信道利用率高、节点间通信调度合理、信道数据包冲突少和低功耗的AUV与水下网络集群交互通信的数据收集MAC协议成为亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出一种 AUV（自主式水下航行器）与水下无线传感器网络的数据收集方法，主要是AUV与水下网络集群交互通信的数据收集MAC（媒体访问控制）协议，以弥补现有技术的不足。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案予以实现：
[0007]一种 AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法，包括以下步骤：S1：水下布设无线传感器网络，该网络中的所有传感器节点被划分为不同的集群，并选举集群头；S2：AUV首先前往未遍历的最近集群，向集群头发送激活数据包，集群头激活后，该集群进入唤醒阶段，之后集群头向成员节点发送唤醒数据包；S3：集群进入数据传输阶段，集群成员节点将数据发送至集群头，AUV接收来自集群头的数据包，数据收集完毕后前往下一集群，直至遍历完全部集群，最终完成AUV数据收集。
[0008]进一步的，所述S1具体如下：
S1
‑
1：网络中的所有传感器节点被划分为不同的集群：水下布设无线传感器网络，一共N个传感器节点 n1、n2、...、n
|N|
部署在三维静态水下区域中；节点在给定时间T内执行水下环境状态监视任务，每个节点的位置是已知的，节点通过聚类算法被划分为H个集群(H选取为N的倍数)，记为 C = {c1, c2, ..., c
|H|
}，则每个集群内有N/H个传感器节点；在每个集群内，集群成员进行连续感知，节点n
i
在时间t存储感知到的数据包记为p
it
(0≤t≤T)；S1
‑
2：每个集群会选举出一个集群头用来与AUV交互通信：每个集群都有一个集群头节点记为C
i
P，集群头负责收集该集群中成员节点感知的数据包，并与AUV交互通信，集群头为距离集群中心最近且能量充足的节点，集群C
i
中心坐标C
i
（x,y,z）计算公式为：；其中C
i
（x,y,z）表示集群C
i
的集群中心点的位置，N/H
‑
1表示集群中成员节点的数量，C
ik
(x), C
ik
(y), C
ik (z)表示集群C
i
中第k个成员节点的经度、纬度和深度位置坐标，根据集群C
i
中心坐标C
i
（x,y,z）选举距离C
i
（x,y,z）最近且能量充足（大于初始能量的30%）的节点为集群头，集群头选举结束后集群节点进入休眠状态。
[0009]进一步的，所述S2具体如下：S2
‑
1：AUV在MAC层向集群头发送激活数据包：当 AUV 进入集群C
i
时，它会向集群头C
i
P发送一个激活（ACTIVE）数据包，该数据包用来通知集群头准备在集群中收集数据； ACTIVE包的帧中携带了MAC地址和集群内节点发送数据包的顺序；AUV根据距离确定集群内节点的发送顺序，集群成员节点到集群头传播延迟越长，节点发送数据包的时间就越早；集群成员节点到集群头数据包传播延迟的计算公式为：；其中，V
w
代表声信号在海水信道中的传播速度，C
ij
D表示集群C
i
中第j个成员节点C
ij
到集群头C
i
P的距离；S2
‑
2：集群头向成员节点发送唤醒数据包：当集群头C
i
P收到ACTIVE数据包时，它会向集群内节点和AUV广播一个具有最大传输功率的唤醒（WAKE）数据包，以唤醒休眠中的成员节点；WAKE包的帧中携带了集群内节点发送数据包的顺序和物理层功率控制所需的必要信息；当集群内的节点收WAKE数据包时，它们会知道发送自身发送数据包的顺序；S2
‑
3：唤醒数据包（WAKE）内嵌入物理层功率控制的必要信息，集群成员节点根据信息进行功率控制，以避免传输过程中因为信道争用产生的通信冲突，并降低传输能耗；距离集群头节点l处的成员节点最佳传输功率P（l）的计算公式为：
；其中，SNR0代表窄带信噪比，B
3dB
(l)表示在距离发射信号节点l处信号的3dB带宽，N（f）表示频率为f时的环境噪声，A（l,f）表示水声信号在频率为f时，在距离发射信号节点l处的信号衰减。
[0010]进一步的，所述S3具体如下：S3
‑
1：集群进入数据传输阶段，集群成员节点将数据发送至集群头：集群内成员节点收到WAKE数据包后，第j个集群成员节点需要等待发送时间t
ij
之后开始DATA数据包传输；第j个集群成员节点等待发送时间t
ij
的计算公式为：；其中，代表集群成员节点到集群头数据包的传播延迟，代表WAKE数据包的传播延迟，代表第j个集群成员节点的发送数据包顺序，代表待发送DATA数据包的长度，R代表数据包的传输速率，t
g
代表发送数据包的前后时间间隙；在收集一轮所有集群内节点的DATA数据包后，集群头节点C
i
P将向它们发送一个 ACK数据包。同时，ACK包更新并通知簇内节点下一轮发送DATA数据包的时间。然后依次循环数据传输，直到集群头本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种 AUV与水下无线传感器网络的数据收集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：水下布设无线传感器网络，该网络中的所有传感器节点被划分为不同的集群，并选举集群头；S2：AUV首先前往未遍历的最近集群，向集群头发送激活数据包，集群头激活后，该集群进入唤醒阶段，之后集群头向成员节点发送唤醒数据包；S3：集群进入数据传输阶段，集群成员节点将数据发送至集群头，AUV接收来自集群头的数据包，数据收集完毕后前往下一集群，直至遍历完全部集群，最终完成AUV数据收集。2.如权利要求1所述的数据收集方法，其特征在于，所述S1具体如下：S1
‑
1：网络中的所有传感器节点被划分为不同的集群：水下布设N个传感器节点 n1、n2、...、n
|N|
，节点在给定时间T内执行任务，每个节点的位置是已知的，节点通过聚类算法被划分为H个集群，H选取为N的倍数，记为 C = {c1, c2, ..., c
|H|
}，则每个集群内有N/H个传感器节点，节点n
i
在时间t存储感知到的数据包记为p
it
，0≤t≤T；S1
‑
2：每个集群选举出一个集群头与AUV交互通信：集群头节点记为C
i
P，集群C
i
中心坐标C
i
（x,y,z）计算公式为：；其中C
i
（x,y,z）表示集群C
i
的集群中心点的位置，N/H
‑
1表示集群中成员节点的数量，C
ik
(x), C
ik
(y), C
ik (z)表示集群C
i
中第k个成员节点的经度、纬度和深度位置坐标，根据集群C
i
中心坐标C
i
（x,y,z）选举距离C
i
（x,y,z）最近且能量充足的节点为集群头，集群头选举结束后集群节点进入休眠状态。3.如权利要求1所述的数据收集方法，其特征在于，所述S2具体如下：S2
‑
1：AUV在MAC层向集群头发送激活数据包：当 AUV 进入集群C
i
时，向集群头C
i
P发送一个ACTIVE数据包，其携带了MAC地址和集群内节点发送数据包的顺序；集群成员节点到集群头数据包传播延迟的计算公式为：；其中，V
w
代表声信号在海水信道中的传播速度，C
ij
D表示集群C
i
中第j个成员节点C
ij
到集群头C
i
P的距离；S2
‑
2：集群头向成员节点发送唤醒数据包：当集群头C
i
P收到ACTIVE数据包时，向集群内节点和AUV广播一个具有最大传输功率的WAK...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘帅，王景景，徐金云，施威，鄢社锋，乔钢，牛秋娜，徐凌伟，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：