基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水面-水下空间传感通讯技术领域，尤其涉及水面与水下无线传感器 网络路由组网领域，具体为基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法。
【背景技术】
[0002] 海洋强国战略已成为我国既定国策，海洋科技是建设海洋强国的技术保障。随着 我国对海洋环境科研、商业开发及海上军事活动等需求的日益增加，迫切需要能够长时间、 实时性、时空间连续、立体大范围的海空天一体化监测系统。实现水面、陆地或空中系统无 缝衔接。
[0003]水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Networks，UWSN)是由许多 水下传感节点以自组织和多跳通信方式构成的网络，可以实现水下信息的采集、融合和应 用。UWSN在水体环境监测、资源保护、海洋生产、水下目标实时探测和监视等领域有巨大的 应用潜力，能为保护领海、开发和利用丰富的海洋资源提供强有力的技术装备和信息平台， 因此成为当前传感器网络和水声通信领域研宄和应用的热点。
[0004] 从应用部署来看，UWSN必须满足以下基本要求：⑴对监测区域的完全覆盖；⑵能 与水面、陆地或空中网络系统无缝衔接，高速采集感知数据；⑶可靠的自组网能力，确保网 络连通和数据及时上传；⑷足够长的网络服务寿命。
[0005] 但是，苛刻的水下环境引发的不利因素和UWSN本身的特性给满足上述要求带来 了下列困难：⑴UWSN-般采用水声通信，声波在水中的传播速度只有1500m/s左右，且误 码率远高于电磁信道、带宽低、时延大、远距通信困难；⑵通信协议工作效率低，大规模组网 协同困难；(3)水下节点依靠电池进行供电，往往不允许对其进行充电或者更换等续航操作， 而水声换能器通信功率可高达几十瓦，易导致水下节点因能量耗尽而失效；⑷UWSN多采用 近距离多跳通信来实现远距传输，处在关键中继位置的节点会因为转发来自其它节点的大 量数据而消耗过多能量，导致各节点能耗不均衡，最终大幅缩短网络寿命；(5)水流和波浪会 使节点偏离既定位置，影响网络覆盖，产生空洞，破坏连通性；(6)水声通信方式导致节点功 能复杂，制造成本远高于陆基节点，尤其是可移动节点，由于需要配备行动装置和较大的电 池，成本会高达上万美元，因此导致网络搭建以及维护成本较高。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0007] 为此，本发明提供一种高性能空海一体化UWSN通讯方案，实现对监测水域全面覆 盖，通讯数据传输快捷、准确，组网容易且运行成本低。一种基于水面传感网-水声传感网 的混合组网方法，包括如下步骤：
[0008] S100 :将监测水域分成至少包括水面传感层和水下传感层的两层结构，水面传感 层布置有可自行移动的水面多功能传感节点，水下传感层布置有水下传感节点；
[0009] S200 :将监测水域的水面传感层划分成多个监测块，并根据监测块对水下传感层 进行垂直分割；
[0010] S300 :随机从水面多功能传感节点中选取一部分成为簇头传感节点，所述簇头传 感节点借助于声波向水下进行簇头广播，水下传感节点根据所接收到的簇头广播信息选择 最佳簇头并完成入簇，随后，簇头传感节点根据簇内水下传感节点的分布情况进行自适应 移动，确定自身的最佳位置；
[0011] S400 :基站借助于无线电磁波向需要采集环境信息的水域发出查询信息，隶属于 该水域的簇头传感节点将查询信息发给水下传感节点，水下传感节点采集基站所需监测信 息并向上发送给簇头传感节点，簇头传感节点对信息进行融合处理后发送给基站。
[0012] 本方法充分利用水面传感网络通信效率高的特点，借助分簇的方式建立水面传感 网、水下传感网间的无缝连接，并实现水下环境信息的汇总融合，并进一步借助于数据信息 在水面传感网的高效传播减轻水下传感网的通信负荷、提升网络整体工作效率；利用分簇 结构实现监测区域分块及信息数据分簇传递，降低节点间的通信干扰，提升通信效率。
[0013] 本发明的一个实施例还包括如下特征：
[0014] 所述步骤S100中，所述可自行移动的水面多功能传感节点采用随机部署的方式 对水面进行均匀覆盖，所述水下传感节点以随机或/和体心方格的方式进行部署，如此实 现组网的快捷性和低成本化。
[0015] 进一步的，所述步骤S100中，所述可自行移动的水面多功能传感节点具有无线电 磁波及声波双重通信能力，其漂浮于水面时水上部分通过电磁信道组成水面传感网，水下 部分借助水声换能器与水下传感节点组成水声传感网，在可自行移动的水面多功能传感节 点上集成水面和水下传感通信节点，由此实现水面传感网与水下传感网的无缝衔接，从而 完成信息的实时、可靠、高速传递。
[0016] 本发明的一个实施例，在所述步骤S300中，所述簇头传感节点的选取具有一个分 簇周期，每一个分簇周期结束后重新选取簇头传感节点并进行分簇，通过周期性分簇，可以 避免某些水面多功能传感节点因长期担任簇头而导致能耗过高的情况发生。
[0017] 进一步的，周期性分簇的过程包括簇头传感节点选取、水下传感节点入簇、簇头传 感节点自适应移动三个过程。重新选取簇头传感节点的方式是选取水面多功能传感节点中 能耗低的一部分节点作为新的簇头传感节点；水下传感节点入簇是指簇头传感节点借助于 声波向水下进行簇头广播，水下传感节点根据所接收到的广播信息选择最佳簇头并完成入 簇；随后，簇头传感节点根据簇内水下传感节点的分布情况进行自适应移动以确定自身的 最佳位置，该策略可进一步均衡网络能耗，延长网络生存周期。
[0018] 更进一步的，所述簇头传感节点的选举满足算法：
[0019] 在簇头选举阶段，每个水面多功能传感节点n都拥有阈值P(n)，并