一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法

文档序号:10661653阅读:480来源:国知局
一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种新的水下无线传感器网络点覆盖控制方法
技术领域
[0001 ]本发明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领域。
【背景技术】
[0002]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。

【发明内容】

[0003] 技术问题
[0004] 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。
[0005] 技术方案
[0006] 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,本发明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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]有益效果
[0013] 本发明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,本发明所述方法具有如下有益效果:
[0014] (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。
[0015] (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。
[0016] (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,本发明对 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。
[0017] (4)本发明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】
[0018] 附图1面向点覆盖需求的水下无线传感器网络示意图
[0019] 附图2方法实施流程图
[0020] 附图3最初阶段水面俯视图 [0021]附图4节点感知模型示意图 [0022]附图5簇头选择示意图 [0023]附图6无效覆盖节点示意图 [0024] 具体实施
[0025]下面结合附图对本发明的具体实施进行更加详细的描述。
[0026] 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。本发明将按 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。
[0027] 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
,并可按如下公式计算S i nk节点与水面顶点的距离Di。
[0029]在最初阶段,其余传感器节点首先均匀地部署于水面上,如图3所示,此时任意传 感器节点si的坐标可表示为si(xi,yi,0),节点si计算自身与Sink节点的距离,参考Sink节点 与水面顶点的距离Di和监测水域深度^,按如下公式计算自身深度h( Sl),并通过竖直深度 调整移至对应位置。
[0031 ] 2、当所有传感器节点完成初始深度调整后,各节点应根据自身位置设置自身感知 半径。取Sink节点与水底顶点的距离出作为参考距离,该距离可按如下公式计算。
[0033]如图4所示,节点采用球心感知模型,对于节点Sl,当目标点与其距离在其感知半 径Rs(Sl)范围内时,该目标点可被该节点探测(例如图中ω,否则目标点无法被该节点探测 (例如图中t 2)。此外,由于传感器节点需要将所获取的监测信息以单跳或多跳方式发送至 水面Sink节点,与Sink节点距离不同的节点存在不同的信息转发压力,距离越近的节点将 承担越重的信息转发压力,其通信能耗相对较大。因此,为提高网络能耗均衡,本发明提出 对节点感知半径进行异构处理,结合实际环境及硬件条件,设最小感知半径为R S1,最大感知 半径为Rsa,可按如下公式确定节点Si的感知半径Rs( Si)。
[0035] 3、各节点确定自身感知半径后,应进一步确定自身通信半径。为确保网络获得较 高连通率的同时减少节点间通信干扰,本发明不同于常规的节点通信半径同构处理方式, 提出对节点通信半径同样进行异构处理。以节点 81为例,设其初始通信半径为Rc^n,通信半 径增加步长为B。,初始通信级别为Lin= 1,节点按照如下公式逐级增大其通信级别L(Sl),以 增大其通信半径RcXsO,直至寻找到深度小于自身深度的邻居节点。
[0036] Rc(si)=Rcin+(L(si)-Lin)XBc (5)
[0037] 然后,各节点对周围监测区域进行探测,确定自身所覆盖的目标点数目,同时向邻 居节点发送告知信息Mt(包括自身ID、位置、覆盖的目标点数目等内容)。随后,各节点从深 度更小的邻居节点中选择覆盖目标点数目最少者作为自身簇头。由于簇头承担较大信息转 发压力,通信能耗相对较大,以覆盖目标点数目最少者作为簇头有利于减少其感知能耗,提 高网络能耗均衡。如图5所示,节点 SjPSk均为节点81的邻居节点,二者深度均小于节点81的 深度,由于节点~所覆盖的目标点数目小于节点s k,因此节点~将作为节点Sl的簇头,负责 将节点Sl的在网络运行过程中获取的监测信息转发至上层节点。当各节点均确立自身簇头 后,各簇内节点调节自身通信半径,直至能和簇头通信;各簇头节点调整自身通信半径,直 至能和所有簇内节点及自身的上层簇头通信。此时,网络达到了全连通状态。
[0038] 4、各簇头对自身簇内节点进行进一步检查,若发现存在无效覆盖的簇内节点,簇 头节点可要求簇内节点暂时进入休眠状态。如图6所示,在以节点 S1作为簇头节点,节点S2、 S3、S4作为簇内节点的簇中,目标点t3被节点S3和S2同时覆盖,目标点t4被节点S3和S4同时覆 盖,因此可认为节点S3对其监测范围内的目标点覆盖为无效覆盖,簇头节点S1可要求节点S3 暂时进入休眠状态。随后,网络开始逐轮运行,每一轮中所有节点既要监测其感知半径范围 内的目标信息,又要将所获取的监测信息以单跳或多跳方式发送至水面Sink节点。当某些 簇内节点因能量耗尽等原因即将衰亡时,簇头节点可将休眠节点唤醒,延缓网络覆盖率的 衰减。由于所提出的休眠与唤醒机制仅存在于局部网络,簇头节点可直接要求簇内节点进 入休眠或唤醒状态。相比于其余常规的网络拓扑重构方法,其分布式实现的特点有助于减 少通信能耗,延长网络生存周期。
【主权项】
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,提尚网络能耗均衡; (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。
【文档编号】H04W52/02GK106028357SQ201610551435
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】柴俊沙
【申请人】柴俊沙
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