本发明属于水下无线网络技术领域，具体涉及一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法。
背景技术
水下无线传感网将传统的无线传感网向水下延伸，是整个无线传感网络领域中一个新兴的研究领域。水下无线传感网是指将大量的传感器节点按一定方法部署在指定的水域中，利用节点的自组织能力建立起网络。网络中的具有感知功能的节点实时监测和采集监测水域的各种监测信息，然后通过通信节点将数据传输给水面基站，然后通过互联网或卫星将数据传送给监控中心。
由于海洋环境的特殊性，使得海洋无线传感网与陆上无线传感网相比有其独有的特征：第一，海洋环境的监测区域通常较大，采用声学方式通信可以达到水下远距离传输，且水下节点昂贵不适合密集部署，所以海洋无线传感器网络通常是很稀疏的；第二，水下传感器节点通常是由飞机或者船舶随机播撒到指定区域，水下节点需要具备自组织组网的能力；第三，由于节点在海水中受到水流或者风力的影响偏离原有的位置，会导致网络拓扑结构发生变化，所以海洋传感器网络通常是动态的；由于传感器的能量有限，且更换起来较为困难，因此，如何在保证覆盖区域或覆盖目标的同时，降低传感器节点的能耗，延长网络生命周期，是海洋无线传感器网络应用中的一个重要问题。
针对海洋环境的特性，需要研究适用于海洋环境的无线传感网覆盖方法，在保证网络连通性的基础上提高对海洋环境的覆盖程度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法，能够提高海洋三维传感器网络的覆盖率和连通性。
本发明所采用的技术方案是，一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、将若干个传感器节点随机部署在三维监测区域中，并固定传感器节点的水平位置，使传感器节点仅在垂直水面的方向运动；
步骤2、对三维监测区域进行垂直平面采样，得出传感器节点形成的感知圆球与采样平面相交的若干个感知圆；
步骤3、对采样平面进行直线采样，然后根据感知圆对采样直线的覆盖程度最终得出传感器节点的目标位置。
本发明的特点还在于，
步骤1中，传感器节点采用二元布尔感知模型。
步骤1中，每个传感器节点上均设有gps模块。
步骤1中，所有传感器节点同构，且通信半径是感知半径的2倍。
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1、对采样平面进行直线采样，得出采样平面内与采样直线mn相交的n个感知圆，分别表示为s1，s2，s3，……sn，将感知圆si与直线mn的两个交点分别表示为(x0,zil)和(x0,zih)，其中zil<zih，i＝1，2，3，……n；
步骤3.2、计算n个感知圆与长度为h的采样直线mn相交的线段总长度：
步骤3.3、判断采样直线长度h与l的关系；
当l≥h，通过第一约束条件计算出传感器节点的目标位置；
当l≤h，通过第二约束条件计算出传感器节点的目标位置。
步骤3.3中，第一约束条件为：
第二约束条件为：
式(2)和(3)中，δdi均为第i个传感器节点移动的距离，i＝1，2，3，……n。
本发明的有益效果是，
一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法，首先对水下三维监测区域进行垂直平面采样，然后再对该平面进行直线采样，把三维空间的覆盖问题转化为直线的覆盖优化问题，最后通过提高感知圆对直线的覆盖率从而提升水下传感器网络对三维监测区域的覆盖率，本发明从局部到整体对三维传感器网络进行覆盖优化，在传感器移动距离最小的情况下，可以显著提高三维区域的覆盖率。
附图说明
图1为水下三维传感器网络模型示意图；
图2为随机部署于三维监测区域中的感知圆球示意图；
图3为本发明一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法中对三维监测区域进行垂直平面采样示意图；
图4为本发明一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法中对采样平面进行直线采样示意图；
图5为本发明一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法中直线采样过程中感知圆互不相交的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种海洋环境中无线传感网的覆盖方法，首先对水下三维监测区域进行垂直平面采样，然后再对该平面进行直线采样，把三维空间的覆盖问题转化为直线的覆盖优化问题，最后通过提高感知圆对直线的覆盖率从而提升水下传感器网络对三维监测区域的覆盖率。
具体按照如下步骤实施：
步骤1、通过船舶将大量同构的传感器节点抛洒在监测水域中，传感器随机部署在三维监测区域中，并通过锚固定水平位置，传感器仅在垂直水面的方向进行运动，如图1所示。
其中，传感器节点采用二元布尔感知模型，在三维空间中，节点的感知范围是半径为rs的球体，称为感知圆球；每个传感器节点集成了gps模块，可以感知自身位置，另外，所有的传感器节点同构，且其通信半径是感知半径的2倍。
随机部署于三维监测区域中的感知圆球如图2所示。
步骤2、对三维监测区域进行垂直平面采样，得出感知圆球与采样平面相交的若干个感知圆，如图3所示，采样平面为abcd平面。
步骤3：对采样平面进行直线采样，如图4所示，根据感知圆对采样直线的覆盖程度得出传感器节点的目标位置。
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1、对采样平面进行直线采样，如图4所示，得出采样平面内与采样直线mn相交的n个感知圆，分别表示为s1，s2，s3，……sn，即n个水下传感器节点，将感知圆si与直线mn的两个交点分别表示为(x0,zil)和(x0,zih)，其中zil<zih，i＝1，2，3，……n；
步骤3.2、计算n个感知圆与长度为h的采样直线mn相交的线段总长度：
步骤3.3、判断采样直线长度h与l的关系；
当l≥h，即传感器节点移动后，感知圆将采样直线完全覆盖，如图4所示，则任意一个感知圆si与采样直线mn相交的下交点zil在上一个感知圆si-1的上交点z(i-1)h的下边，任意一个感知圆si的上交点zih在下一个感知圆si+1的下交点的z(i+1)l上边，则根据下式计算出传感器节点的目标位置；
式(2)中，δdi为第i个传感器节点移动的距离，i＝1，2，3，……n。
当l≤h，即传感器节点移动后，感知圆不能将采样直线完全覆盖，即式(2)无解，在这种情况下，当感知圆互不相交时，感知圆对采样直线的覆盖程度最大，如图5所示，即任意一个感知圆si与采样直线mn相交的下交点zil在上一个感知圆si-1上交点z(i-1)h的上边，任意一个感知圆si与采样直线mn相交的上交点zih在下一个感知圆si+1的下交点z(i+)1l的下边，则根据下式计算出新的传感器节点位置；
式(3)中，δdi为第i个传感器节点移动的距离，i＝1，2，3，……n。
反复进行步骤2和步骤3，更新传感器节点位置，直到网络覆盖率无法继续提升。
利用控制电机调节绳索长度，达到调节传感器节点位置的目的。