CN101257424B - 基于表面均匀配置的水下无线传感器网络覆盖控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维水下无线传感器网络覆盖控制方法。目前的控制方法存在各种不足。本发明是在监测水域的水平面上均匀配置传感器节点阵列，确定阵列中每个节点的三维坐标；对每个节点，根据调整距离的取值，确定其调整空间的范围；根据每个传感器节点调整空间内的相邻传感器节点的个数以及深度确定该节点的调整深度；根据各节点的深度计算由覆盖度与平均距离加权组成的综合指标的值，以综合指标最大值时对应的每个传感器节点的调整深度作为最终的传感器节点的深度。本发明方法适用于基于无线传感器网络的湿地水环境实时监测系统，可实现对三维监测水域最大程度的覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及采用无线传感器网络的水环境监测技术领域，如湿地水环境监测系统，特别涉及了一种基于表面均匀配置的水下无线传感器网络(UWSNs)覆盖控制方法。
背景技术
近年来，随着全球水污染的加剧，人们对水环境越来越关注，包括水环境监测、科学探测、商业开采和海岸线保护等。水环境监测受以下因素限制：
1)水下无人探测：受高水压、不可预知的水下活动、以及大面积的水域变化等因素影响，人工方式不适用于水环境监测；
2)知识获取的局部化和精确性：由于不同层面的水环境表现出典型的局部化和瞬时变化的特点，因此局部探测比遥感遥测更精确、有效，但难以得到足够的信息；
3)水下监测范围大：当前的技术水平限制了水下设备和地面设备的通信，为监测不稳定的大范围水下环境，需要大量的设备部署和维护费用。
无线传感器网络(WSNs)是随着无线通信技术、嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而出现的一种新兴的信息获取技术，在军事、汽车电子、工业控制、环境监测、医疗卫生、智能家居等领域有很好的应用前景，尤其在无人值守或恶劣环境下的事件监测和目标跟踪中显示了很大的优势。分布式可扩展的水下无线传感器网络(UWSNs)为水环境监测提供了有效的解决方法。UWSNs与陆地传感器网络有很大不同：无线通信设备在水环境中必须使用声音调制解调器，且大部分水下传感器节点(除一些装在水面浮标上的固定节点外)会因浪潮及散布和修剪过程而移动。此外，UWSNs也不同于现有的小范围水下声音网络(UANs)：UWSNs依赖于大量(几百到几万个)廉价且密集配置的传感器节点的局部化监测和网络调整。广阔的应用前景和较高的技术要求，使得UWSNs成为人类面临的新挑战。
基于无线传感器网络的监测系统中，各个传感器节点收集自身周围的局部信息，对其进行处理后传送至汇聚节点，汇聚节点汇总所有节点采集的局部数据得到感兴趣区域的整体信息。为确保整体信息的完整性和准确性，汇聚节点首先要判定感兴趣区域是否被一组给定的传感器节点所覆盖。因此，对传感器网络的覆盖问题进行深入而系统的研究具有重要意义。覆盖考虑的两个问题是：(a)传感器节点的初始布置是否覆盖了整个目标区域；(b)这些节点是否能准确完整地采集目标区域的信息。WSNs的覆盖控制，是在传感器网络节点能量、无线网络通信带宽、网络计算处理能力等资源普遍受限的情况下，通过传感器节点放置及路由选择等手段，最终使WSNs的各种资源得到优化分配，进而使感知、传感、通信、监测等各种服务质量得到改善。如何根据不同的应用环境，对WSNs进行不同级别的覆盖控制就成了WSNs中一个基础而亟待解决的问题。尽管目前的许多方案都很好地解决了二维平面的覆盖控制问题，但由于三维空间的覆盖控制在计算几何与随机图论等数学理论上仍是一个NP难问题。如何针对WSNs在三维空间具体的应用需要，设计出有效的覆盖控制算法与协议，是一个很有意义的研究课题。
UWSNs的覆盖控制是典型的三维空间覆盖控制问题。应用于特殊的水下环境的UWSNs，受浮动节点的可移动性、声链路容量有限、信息传播延时大等条件的限制，这一新型的网络范例对覆盖控制提出了新要求。现有的UWSNs覆盖控制方法中，较有代表性的是基于表面随机配置的UWSNs覆盖控制方法(传感器节点在水平面的两个维度上是随机分布的，此方法以下简称为二维随机法)：网络初始配置时，在水平面上随机布置一定数量的节点，然后根据每个节点的调整空间内邻居节点深度安排其自身深度，尽可能使水下三维空间得到充分的覆盖。由于节点在水平面上分布的随机性，二维随机法符合海洋、江河、湖泊等大面积水域流动性较强的特点，可用于上述各种水体的监测系统中。此外，节点一经配置后，二维随机法不能改变节点在水平面的位置，节点的随机分布不可避免地造成某些区域节点相对集中、而另一些区域节点相对稀少的问题，使得整个传感器网络对水下三维空间的覆盖程度有限。
湿地水环境与海洋、江河、湖泊等大面积水域相比，具有其特殊性，主要体现在：整个水环境被分割为大量在地理上分布较广、形状不规则、面积大小不一、相对独立的局部小水域。其内部水域较稳定，对节点移动性调整的要求较小，传感器节点一经配置后，可认为其在水平面的相对位置保持不变。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可用于湿地水环境监测的水下无线传感器网络(UWSNs)覆盖控制方法，使得由覆盖度和平均距离构成的综合指标最大化。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
1、对待监测水域用长方体建模，确定待监测水域的三维坐标系；在监测水域的水平面上均匀配置传感器节点阵列，阵列中各传感器节点等间距分布，确定阵列中每个传感器节点的x，y，z轴三维坐标；设定每个传感器节点的z轴坐标初值为0；
2、在水平面上确定以每个传感器节点为中心，以参数m的2倍为边长的正方形；以该正方形为顶面、待监测水域的深度为高度确定的长方体为每个传感器节点的调整空间；
3、根据每个传感器节点调整空间内的相邻传感器节点个数以及相邻传感器节点的深度确定该传感器节点的调整深度；
4、根据每个传感器节点的深度计算综合指标的值，以综合指标最大值时对应的每个传感器节点的调整深度作为最终的传感器节点的深度。
步骤3中确定每个传感器节点的调整深度的方法如下：
将待监测水域的深度等间距划分为n层，
1)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为0，则将该传感器节点的深度安排在整个长方体待监测水域的第1层；
2)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的上半部分，则将该传感器节点安排在最深层；
3)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的下半部分，则将该传感器节点安排第1层；
4)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数大于1，则将该传感器节点安排在相邻传感器节点中深度最大和最小的中间层。
步骤4中的综合指标由覆盖度与平均距离加权组成；其中，覆盖度为至少被一个传感器节点所覆盖的立方体数目与待监测水域中传感器节点总数的比值，平均距离为待监测水域中所有传感器节点对之间的距离之和与传感器节点对总数的比值；所述的传感器节点对为待监测水域中任意两个传感器节点的组合。
本发明提出了基于表面均匀配置的UWSNs覆盖控制方法(传感器节点在水平面上是均匀分布的，此方法以下简称为均匀配置法)。网络初始配置时，在水平面上均匀布置节点，节点一经配置后，认为其在水平面的相对位置保持不变，只需调整节点深度，以最大化由覆盖度和平均距离构成的综合指标。由于湿地的局部小水域水流较为平缓，因浪潮、散布和修剪过程而引起的节点在水平面的移动可忽略不计，因此均匀配置法适用于基于无线传感器网络的湿地水环境实时监测系统。采用本发明方法，在不同的网络规模下，均匀配置法在最大化综合指标这一覆盖控制方法的优化目标上优于二维随机法。
附图说明
图1是三维水下传感器网络(UWSNs)坐标系；
图2是基于表面均匀配置的UWSNs覆盖控制方法流程图；
图3是为每个节点安排深度的流程图。
具体实施方式
本发明的核心思想是：在水平面上均匀等间距分布节点后，调整节点的深度，使得由整个监测区域的覆盖度和节点之间的平均距离构成的综合指标达到最大，以实现对三维空间最大程度的覆盖。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如上所述，对待监测水域用长方体建模，确定待监测水域的三维坐标系。如附图1所示，在待监测水域中选择一合适的点作为该坐标系的原点，水平面的两个维度分别用x轴和y轴表示，与水平面垂直向下的方向用z轴表示。将整个监测空间划分为若干个边长为r的立方体，r称为决定距离。另一个参数m称为调整距离，在水平面上确定以每个传感器节点为中心，以参数m的2倍为边长的正方形；以该正方形为顶面、待监测水域的深度为高度确定的长方体为每个传感器节点的调整空间。当安排某个节点的深度时，该节点只能与调整空间内的邻居节点交换信息。在z轴方向上，相同深度的立方体组成一层，如所有从深度0至r之间的立方体组成了第1层，最大层数为n。
网络初始配置时，在水平面上均匀布置节点，节点一经配置后，认为其在水平面的相对位置保持不变，只需调整节点深度，以最大化由覆盖度和平均距离构成的综合指标。由于湿地的局部小水域水流较为平缓，因浪潮、散布和修剪过程而引起的节点在水平面的移动可忽略不计，因此本方法适用于基于无线传感器网络的湿地水环境实时监测系统。
本方法在上述三维坐标系中配置节点遵循以下的过程，见附图2：
1在监测水域的水平面上均匀配置传感器节点阵列，阵列中各传感器节点等间距分布，其间隔距离由节点数量和监测区域的表面积决定；确定阵列中每个传感器节点的x，y，z轴三维坐标；设定每个传感器节点的z轴坐标初值为0；
2在水平面上确定以每个传感器节点为中心，以参数m的2倍为边长的正方形；以该正方形为顶面、待监测水域的深度为高度确定的长方体为每个传感器节点的调整空间；
3根据每个传感器节点调整空间内的相邻传感器节点个数以及相邻传感器节点的深度确定该传感器节点的调整深度；
4根据每个传感器节点的深度计算综合指标的值，以综合指标最大值时对应的每个传感器节点的调整深度作为最终的传感器节点的深度。
步骤3中确定每个传感器节点的调整深度的过程如下(见附图3)：
将待监测水域的深度等间距划分为n层，
1)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为0，则将该传感器节点的深度安排在整个长方体待监测水域的第1层；
2)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的上半部分，则将该传感器节点安排在最深层；
3)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的下半部分，则将该传感器节点安排第1层；
4)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数大于1，则将该传感器节点安排在相邻传感器节点中深度最大和最小的中间层；
步骤4中的综合指标由覆盖度与平均距离加权组成；其中，覆盖度为至少被一个传感器节点所覆盖的立方体数目与待监测水域中传感器节点总数的比值，平均距离为待监测水域中所有传感器节点对之间的距离之和与传感器节点对总数的比值；所述的传感器节点对为待监测水域中任意两个传感器节点的组合。
总之，本发明提出的是基于表面均匀配置的UWSNs覆盖控制方法(传感器节点在水平面上是均匀分布的)：网络初始配置时，在水平面上均匀布置节点，节点一经配置后，认为其在水平面的相对位置保持不变，只需调整节点深度，以最大化由覆盖度和平均距离构成的综合指标。应当说明的是，节点在水平面上分布的方式不同(如在水平面的一个方向上均匀分布，在另一方向上随机分布)等方法都是不脱离本发明技术方案的精神和范围的。
Claims (1)
1.基于表面均匀配置的水下无线传感器网络覆盖控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)对待监测水域用长方体建模，确定待监测水域的三维坐标系；在监测水域的水平面上均匀配置传感器节点阵列，阵列中各传感器节点等间距分布，确定阵列中每个传感器节点的x，y，z轴三维坐标，在监测水域中选择一合适的点作为该坐标系的原点，水平面的两个维度分别用x轴和y轴表示，与水平面垂直向下的方向用z轴表示；设定每个传感器节点的z轴坐标初值为0；
(2)在水平面上确定以每个传感器节点为中心，以调整距离的2倍为边长的正方形；以该正方形为顶面、待监测水域的深度为高度确定的长方体为每个传感器节点的调整空间；
(3)根据每个传感器节点调整空间内的相邻传感器节点个数以及相邻传感器节点的深度确定该传感器节点的调整深度；
(4)根据每个传感器节点的深度计算综合指标的值，以综合指标最大值时对应的每个传感器节点的调整深度作为最终的传感器节点的深度；
步骤(3)中确定每个传感器节点的调整深度的方法如下：
将待监测水域的深度等间距划分为n层，
1)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为0，则将该传感器节点的深度安排在整个长方体待监测水域的第1层；
2)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的上半部分，则将该传感器节点安排在最深层；
3)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数为1，且该相邻传感器节点的深度在整个长方体待监测水域的下半部分，则将该传感器节点安排第1层；
4)若传感器节点调整空间内相邻传感器节点的个数大于1，则将该传感器节点安排在相邻传感器节点中深度最大和最小的中间层；
步骤(4)中的综合指标由覆盖度与平均距离加权组成；其中，覆盖度为至少被一个传感器节点所覆盖的立方体数目与待监测水域中传感器节点总数的比值，平均距离为待监测水域中所有传感器节点对之间的距离之和与传感器节点对总数的比值；所述的传感器节点对为待监测水域中任意两个传感器节点的组合。
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