一种应用于UWOC网络的节点自适应分簇与更新方法与流程

本发明属于水下无线光通信技术领域，具体涉及一种应用于uwoc网络的节点自适应分簇与更新方法的设计。

背景技术：

目前，大多数传统适用于陆地上的二维静态无线传感器网络组网算法均难以适用于三维动态水下无线光通信(underwaterwirelessopticalcommunication，uwoc)网络环境，uwoc网络的动态性表现在节点投放的随机性，随水流的漂移等因素导致的节点不固定。在uwoc动态节点部署、分簇与定位中，需要综合考虑水流影响、节点密度、节点成本和功耗等多方面因素。

在uwoc节点分簇方面，低功耗自适应集簇分层型协议(low-energyadaptiveclusteringhierarchy，leach)是一种常用的动态簇头选择算法。通过随机的方式使网络中节点交替成为簇头(clusterhead，ch)，能够避免某一ch能量过度消耗，提高网络整体的生命周期。现有的水下无线传感器网络(underwaterwirelesssensornetwork，uwsn)算法大多是在leach算法的基础上改进或发展而来的，其仍然是以水声通信为主，从节点间的距离，节点能耗，ch选择等方面进行的研究。不同于水声系统较远的通信距离，uwoc网络对于节点与节点间的距离较为敏感，而且是一个上下行通信不对称的网络。其中，上行是指水下节点到水面节点的通信(传输感知信息，数据量大)，下行是指水面节点到水下节点的通信(传输控制信息，数据量小)。因此，越靠近水面的节点由于数据的聚合使用的频率越高，就越容易消亡，越是水下的节点被选为ch的概率越低，因而剩余的能量一般越多。因此，现有的算法都较难对水下动态网络的节点进行部署。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决水下动态网络节点部署困难的问题，提出了一种应用于uwoc网络的节点自适应分簇与更新方法。

本发明的技术方案为：一种应用于uwoc网络的节点自适应分簇与更新方法，包括以下步骤：

s1、将uwoc网络中的所有节点分为m层，其中m≥2。

s2、对每层节点进行ch选举，将其分为ch节点和nch节点。

s3、选择uwoc网络中的第一层。

s4、选择当前层的第一个ch节点。

s5、对当前选择的ch节点进行初始化。

s6、对当前选择的ch节点进行更新。

s7、判断当前层是否所有ch节点都已经过初始化和更新时序，若是则进入步骤s8，否则选择当前层时序最靠前的一个未经过初始化和更新时序的ch节点，返回步骤s5。

s8、判断uwoc网络中是否每一层的ch节点都已经过初始化和更新时序，若是则结束节点自适应分簇与更新流程，否则选择uwoc网络中未经过初始化和更新时序的最靠前一层，返回步骤s4。

进一步地，步骤s2中对每层节点进行ch选举的方法具体为：

为每个节点分配一个0～1之间的随机数，若某节点分配到的随机数小于阈值t(i)，则该节点当选为ch节点，否则该节点为nch节点；

阈值t(i)的设定公式为：

其中p表示ch节点在所有节点中所占比例，r表示选举轮数，r·mod(1/p)表示每轮选举中已被选为ch节点的节点个数，ρi表示第i个节点的节点密度，di表示第i个节点到水面的距离，dmax表示最底层节点到水面的距离，ei表示第i个节点的剩余能量，e表示节点的初始能量，i＝1,2,...,n，n为节点总数。

进一步地，步骤s5包括以下分步骤：

s51、初始化下行阶段：通过当前ch节点向其下行ch节点传输下行数据集sd。

s52、第一初始化广播阶段：通过当前ch节点向该层其余ch节点全向广播下行数据集sd。

s53、第二初始化广播阶段：通过当前ch节点向该层的nch节点全向广播下行数据集sd。

s54、第二初始化上行阶段：通过该层的nch节点向当前ch节点传输上行数据集su，并通过ocdma避免数据冲突。

s55、第一初始化上行阶段：通过当前ch节点向其上行ch节点传输上行数据集su，并通过ofdm避免数据冲突。

进一步地，步骤s52中当前ch节点与其余ch节点之间利用csma/ca协议划分时隙，若该步骤中分配到时隙的ch节点没有达到uwoc网络预设的比例值，则重复步骤s52的划分时隙操作，直到分配到时隙的ch节点达到uwoc网络预设的比例值，进入步骤s53。

进一步地，步骤s51～s53中，若当前ch节点为该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息；若当前ch节点不是该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点及其上行所有节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

步骤s54中，nch节点向当前ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

步骤s55中，当前ch节点向其上行ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点及其下行所有节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

进一步地，步骤s6包括以下分步骤：

s61、更新下行阶段：通过当前ch节点向其下行ch节点传输下行数据集sd。

s62、第一更新广播阶段：通过当前ch节点向该层其余ch节点全向广播下行数据集sd。

s63、第二更新广播阶段：通过当前ch节点向该层的nch节点全向广播下行数据集sd。

s64、第二更新上行阶段：通过该层的nch节点向当前ch节点传输上行数据集su，并通过ocdma避免数据冲突。

s65、第一更新上行阶段：通过当前ch节点向其上行ch节点传输上行数据集su，并通过ofdm避免数据冲突。

进一步地，步骤s62中通过步骤s5中初始化后的ch节点或上一轮更新的ch节点向该步骤中的ch节点传递时隙。

进一步地，步骤s61～s63中，若当前ch节点为该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息；若当前ch节点不是该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点及其上行所有节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

步骤s64中，nch节点向当前ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

步骤s65中，当前ch节点向其上行ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点及其下行所有节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

进一步地，ch节点和ch节点之间通过ld光源传输数据，ch节点和nch节点之间通过led光源传输数据。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够很好的适应水下的动态环境，在节点分簇时，考虑到了位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息，能够比较好地形成符合实际的水下节点网络。

(2)本发明在节点分簇过程中进行了时序安排，能够避免水下光网络通信发生干扰，提升网络通信质量。

(3)本发明在选取簇头时融合了节点位置信息、加速度信息、节点深度信息以及剩余能量信息，实时选择最优节点作为簇头进行通信，能够充分保证水下网络的生命周期，延长网络寿命，适应水下动态环境。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种应用于uwoc网络的节点自适应分簇与更新方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的uwoc网络系统时序图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种应用于uwoc网络的节点自适应分簇与更新方法，如图1所示，包括以下步骤s1～s8：

s1、将uwoc网络中的所有节点分为m层，其中m≥2。

s2、对每层节点进行ch选举，将其分为ch节点和nch节点。

本发明实施例中，对每层节点进行ch选举的方法具体为：为每个节点分配一个0～1之间的随机数，若某节点分配到的随机数小于阈值t(i)，则该节点当选为ch节点，否则该节点为nch(non-clusterhead，非簇头)节点。

阈值t(i)的设定公式为：

其中p表示ch节点在所有节点中所占比例，r表示选举轮数，r·mod(1/p)表示每轮选举中已被选为ch节点的节点个数，ρi表示第i个节点的节点密度(给定半径内节点数量/节点总数，可根据节点的位置信息进行计算)，di表示第i个节点到水面的距离(可由深度计获得)，dmax表示最底层节点到水面的距离(可由深度计获得)，ei表示第i个节点的剩余能量，e表示节点的初始能量，i＝1,2,...,n，n为节点总数。

本发明实施例中，对uwoc网络进行分层和ch选举及排序后，得到如图2所示的uwoc网络系统时序图，uwoc网络中总共包含个ch节点，ni为第i层的ch节点个数，后续需要针对每一个ch节点进行初始化和更新操作。

s3、选择uwoc网络中的第一层。

s4、选择当前层的第一个ch节点。

s5、对当前选择的ch节点进行初始化。

步骤s5包括以下分步骤s51～s55：

s51、初始化下行阶段d(download)：通过当前ch节点向其下行ch节点传输下行数据集sd。

s52、第一初始化广播阶段b1(broadcast1)：通过当前ch节点向该层其余ch节点全向广播下行数据集sd。

步骤s52中，当前ch节点与其余ch节点之间利用载波侦听多路访问/冲突避免(carriersensemultipleaccess/collisionavoidance，csma/ca)协议划分时隙，只有分配到时隙的ch节点其后续的操作步骤才有效。ch节点在此阶段向外发送全向广播信号，发送信号时若ch节点接收到其他ch节点发送过来的信号，则此ch节点延迟一段时间再发送广播信号，先发送成功的ch节点则先分配到时隙。若该步骤中分配到时隙的ch节点没有达到uwoc网络预设的比例值，则暂时不进入步骤s53，而是重复步骤s52的划分时隙操作，直到分配到时隙的ch节点达到uwoc网络预设的比例值，进入步骤s53。

s53、第二初始化广播阶段b2(broadcast2)：通过当前ch节点向该层的nch节点全向广播下行数据集sd。

步骤s53中，nch节点通过三维aoa估计对自身进行定位，这里是一种相对定位方式，是以ch节点为圆点，nch节点相对ch节点的位置信息。

步骤s51～s53中，若当前ch节点为该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息；若当前ch节点不是该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点及其上行所有节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

s54、第二初始化上行阶段u2(upload2)：通过该层的nch节点向当前ch节点传输上行数据集su，并通过ocdma(opticalcodedivisionmultipleaccess，光码分多址)避免数据冲突。

步骤s54中，nch节点向当前ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

s55、第一初始化上行阶段u1(upload1)：通过当前ch节点向其上行ch节点传输上行数据集su，并通过ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用技术)避免数据冲突。

步骤s55中，当前ch节点向其上行ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点及其下行所有节点的位置信息、加速度信息和节点深度信息。

s6、对当前选择的ch节点进行更新。

步骤s6包括以下分步骤s61～s65：

s61、更新下行阶段d(download)：通过当前ch节点向其下行ch节点传输下行数据集sd。

s62、第一更新广播阶段b1(broadcast1)：通过当前ch节点向该层其余ch节点全向广播下行数据集sd。

步骤s62中与步骤s52不同，不执行csma/ca操作，而是通过步骤s5中初始化后的ch节点或上一轮更新的ch节点向该步骤中的ch节点传递时隙。

s63、第二更新广播阶段b2(broadcast2)：通过当前ch节点向该层的nch节点全向广播下行数据集sd。

步骤s63中，nch节点通过三维aoa估计对自身进行定位，这里是一种相对定位方式，是以ch节点为圆点，nch节点相对ch节点的位置信息。

步骤s61～s63中，若当前ch节点为该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息；若当前ch节点不是该层第一个节点，则下行数据集sd包括指令信息、该节点及其上行所有节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

s64、第二更新上行阶段u2(upload2)：通过该层的nch节点向当前ch节点传输上行数据集su，并通过ocdma避免数据冲突。

步骤s64中，nch节点向当前ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

s65、第一更新上行阶段u1(upload1)：通过当前ch节点向其上行ch节点传输上行数据集su，并通过ofdm避免数据冲突。

步骤s65中，当前ch节点向其上行ch节点传输的上行数据集su包括nch节点的采集数据、该节点及其下行所有节点的位置信息、加速度信息、节点深度信息和剩余能量信息。

本发明实施例中，若是在相应的时序内某个ch节点未更新完成，则需要等到uwoc网络所有层都经过初始化和更新时序之后再更新，也就是必须等到下一个轮次再继续更新，uwoc网络中所有ch节点经历完一个初始化或更新时序称之为一个轮次。

本发明实施例中，不论上行或下行，ch节点和ch节点之间均通过ld光源传输数据，ch节点和nch节点之间均通过led光源传输数据。

s7、判断当前层是否所有ch节点都已经过初始化和更新时序，若是则进入步骤s8，否则选择当前层时序最靠前的一个未经过初始化和更新时序的ch节点，返回步骤s5。

s8、判断uwoc网络中是否每一层的ch节点都已经过初始化和更新时序，若是则结束节点自适应分簇与更新流程，否则选择uwoc网络中未经过初始化和更新时序的最靠前一层，返回步骤s4。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。