CN102006123A - 利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，包括如下步骤：(1)将传感器节点以随机的方式设置于需要监控的水域中，并将基站设置在所述水域的水面中心位置；(2)传感器节点收集其位置信息，以及其距离基站的跳数，并提供这些信息给基站；(3)基站根据传感器节点提供的这些信息，设置水下自行器的航行计划，并将所述航行计划广播至三维水下传感网，水下自行器根据航行计划开始航行；(4)依据航行计划，距离基站远近不同的传感器节点根据水下聚集路由算法发送并转发数据。本发明提供的方法，能够有效提高了三维水下传感网的网络寿命，尤其适合应用于大规模的水下传感网。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用水下自行器的移动来提高三维水下传感网寿命的方法。
背景技术
众所周知，我们的地球是个水的星球，大片的未被探索的海洋覆盖了大约三分之二的地球表面。随着人类社会的发展，对这片蔚蓝世界的兴趣也与日俱增，包括海洋环境监测、资源开发，以及海洋的国家安全和防御。由众多的水下传感器通过声波链路进行链接形成的水下传感网，使得包括水质监测、钻井设备监测、海洋数据收集、污染监控等诸多应用成为可能。
在水下传感网中，声波通讯是典型的物理层技术，它和陆地上的无线电技术有很多不同，包括受限的带宽，信号带宽和距离的关系，以及高传播延时等。水下传感网的网络协议研究还是个年轻的领域，目前仅有少数的工作提供了水下传感网的路由算法，而且大多数协议主要强调如何去适应和利用水下声波通讯的特性；但是它们忽视了一个棘手的问题——如何延长水下传感网的网络寿命。水下传感器仅有有限的电池能量，而且电池往往难以更换，也无法使用太阳能，因此，水下传感网寿命是衡量水下传感网性能的一个非常重要的指标。尤其对于三维水下传感网来说，当网络范围扩大时，其寿命的衰减与二维陆地无线传感网相比将更加严重。目前，像陆地上无线传感网那样通过放置更多的水下传感器节点到热点地区(hot spots)被认为是一种不实际的解决方案。一方面，水下传感器与陆地上的传感器相比造价更贵；另一方面，密集的传感器放置可能导致被敌人或船只轻易地发现和毁坏。因此，采用移动传感器节点，即水下自行器，来提高整个三维水下传感网的网络寿命是个可取的方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用水下自行器的移动来提高三维水下传感网寿命的方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，所述水下自行器上设有传感器节点，具体包括如下步骤：
(1)将传感器节点以随机的方式设置于需要监控的水域中，并将基站设置在所述水域的水面中心位置。
水下传感网的网络结构一般可分为三种类型，分别为二维固定水下传感网、三维固定水下传感网和三维固定网络与水下自行器的融合。
在二维水下传感网里，传感器节点被固定在海底或者潜水水域。使用三维水下传感网则能观测二维水下传感网无法实现的观测任务，比如采样和监测一个三维的水下空间。在三维水下传感网中，通常将传感器放置或者漂浮在某个深度，从而进行感知任务，在整个三维水下传感网中，一般使用具有卷扬机的传感设备、并将其锚于海底，或者将传感器连接在浮标上；但是，将传感器连接在浮标上，可能会阻挡船只，并且在军事应用中更容易被敌方发现后破坏，因而实用性更弱些。
水下自行器能够装备水下感知设备和通讯设备，并且不需要绳索、电缆或者远程控制，因此它们在用于海洋学研究、环境监测和海洋资源研究的各种任务中，具有突出的优越性；将传感器节点设置在水下自行器上能够有效避免传感器固定放置或连接在浮标上的缺点。
(2)传感器节点收集其位置信息，以及其距离基站的跳数，并提供这些信息给基站。
(3)基站根据传感器节点提供的这些信息，设置水下自行器的航行计划，并将所述航行计划广播至三维水下传感网，水下自行器根据航行计划开始航行。
(4)依据航行计划，距离基站远近不同(使用跳数表示)的传感器节点根据水下聚集路由算法发送并转发数据。
所述步骤(2)中，传感器节点通过定位算法确定其位置信息；通过交换信标包方式计算出其距离基站的跳数；距离基站两跳范围内的传感器节点，发送一个三元组数据包Tr{n1，n2，A}信息给基站，其中，n2为该传感器节点的位置，n1为该传感器节点距离基站一跳范围内的邻居，A为该传感器节点距离基站三跳范围内的邻居。
所述步骤(4)中，距离基站远近不同的水下自行器根据水下聚集路由算法发送并转发数据。
有益效果：本发明提供的一种利用水下自行器的移动来提高三维水下传感网寿命的方法，只需要添加一个水下自行器，且该水下自行器只需要在距离基站两跳内航行，水下自行器的能耗低，并且能够有效提高了三维水下传感网的网络寿命，尤其适合应用于大规模的水下传感网。
附图说明
图1(a)为水下自行器距离基站一跳范围内时，形成的聚集线结构示意图；
图1(b)为水下自行器距离基站两跳范围内时，形成的聚集线结构示意图；
图2为距离基站一跳、两跳和三跳范围内，传感器节点数据包发送路径的一种结构示意图；
图3为距离基站四跳范围以上，传感器节点数据包发送路径的一种结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
附图中，AUV表示水下自行器；Sink表示基站；Si表示距离基站跳数的范围，例如S1表示距离基站一跳范围内，S2表示距离基站两跳范围内，同理得其他；na表示聚集传感器节点；nr表示转发传感器节点。
利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，所述水下自行器上设有传感器节点，具体包括如下步骤：
(1)将传感器节点以随机的方式设置于需要监控的水域中，并将基站设置在所述水域的水面中心位置；其中传感器节点设置在水下环境中，基站设置在水面上。
(2)传感器节点收集其位置信息，以及其距离基站的跳数，并提供这些信息给基站，帮助基站设置水下自行器的航行计划。
传感器节点通过现有的定位算法确定其位置信息；然后由基站发起，通过广播交换信标包方式，确定其距离基站的跳数和邻居位置；距离基站两跳范围内的传感器节点，发送一个三元组数据包Tr{n1，n2，A}信息给基站，其中，n2为该传感器节点的位置，n1为该传感器节点距离基站一跳范围内的邻居，A为该传感器节点距离基站三跳范围内的邻居。
(3)基站根据传感器节点提供的这些信息，设置水下自行器的航行计划，并将所述航行计划广播至三维水下传感网，水下自行器根据航行计划开始航行，初始时，水下自行器位于基站处。
当基站收集到所有两跳传感器节点发来的三元组数据包信息后，根据这些信息设置水下自行器的航线：该航线从基站出发，访问所有一跳范围内传感器节点(记为N个)和相同数目的两跳范围内传感器节点，最后再回到基站。水下自行器、转发传感器节点nr和聚集传感器节点na形成一条聚集线，如图1(a)和图1(b)所示：当水下自行器距离基站一跳范围内时，选定一个距离基站两跳范围内的邻居作为转发传感器节点nr，转发传感器节点nr从其距离基站三跳范围内的邻居A中选择一个传感器节点作为聚集传感器节点na；当水下自行器距离基站两跳范围内时，选定一个距离基站一跳范围内的邻居作为转发传感器节点nr，水下自行器从其距离基站三跳的邻居A中选择一个传感器节点作为聚集传感器节点na。
使用最短路径可以最小化水下自行器的航行能量消耗和航行的时间，这个问题可以形式化为满足三角不等式的货郎担问题。由于这是个NP完全问题，我们无法找到一个多项式算法来解决，但是，如果N很小，一个指数时间的算法可以很完美的解决它。否则，可以通过一个多项式时间的近似算法APPROX-TSP-TOUR来解决，算法如下：
输入：T：最小生成树
root：T的根节点
k：I的索引 /
输出：/：水下自行器的航行计划
if has son(T，root) then
n＝first son(T，root)
if Selected[n]＝＝0then
I[++k]＝n
Selected[n]＝1
end
k＝APPROX-TSP-TOUR(T，n，I，k)
m＝neighbor son(T，root，n)
while m！＝-1 do
if Selected[m]＝＝0then
I[++k]＝m
Selected[m]＝1
end
k＝APPROX-TSP-TOUR(T，m，I，k)
m＝neighbor son(T，root，m)
end
end
return k
为了实现上述算法，先从两跳范围内传感器节点中选择N个接近于中轴线的传感器节点(中轴线指通过基站与海平面垂直的直线)，然后使用MST-PRIM算法将一跳范围内的所有传感器节点和两跳范围内的传感器节点中选取的传感器节点建立起一个以基站作为根节点的最小生成树。对于当水下自行器到达航行计划中任意传感器节点i时，水下自行器将代替传感器节点i工作，传感器节点i即休眠：若所述传感器节点i为一跳范围内传感器节点，则从该传感器节点的三元组数据包Tr(i)中可以找到其对应的两跳范围内传感器节点作为其上流节点，水下自行器在该传感器节点i停留单位时间；若传感器节点i为两跳范围内传感器节点，则从该传感器节点的三元组数据包Tr(i)中可以找到传感器节点i的所有可选转发传感器节点，假设转发传感器节点数目为Nr，则水下自行器在传感器节点i点停留单位时间。
在水下聚集路由算法中，由于每个传感器节点都需要知道水下自行器的距离，这样分发水下自行器的位置信息将造成巨大的负载；但是，由于聚集算法中水下自行器的航线是确定的，所以我们只需要在运行前将其位置信息发送给每个节点即可。
(4)依据航行计划，距离基站不同跳数的传感器节点根据水下聚集路由算法发送并转发数据包；如附图2和附图3所示，所述跳数分为一跳、两跳、三跳和四跳以上几种情况。
距离基站一跳范围内的传感器节点的路由，首先判断水下自行器是否到达该传感器节点：若判断结果为是，则该传感器节点休眠，水下自行器代替该传感器节点工作；若判断结果为否，则该传感器节点直接将接收到的数据包发送给基站。
距离基站两跳范围内的传感器节点的路由，首先判断水下自行器是否到达该传感器节点，若判断结果为是，则该传感器节点休眠，水下自行器代替该传感器节点工作；若判断结果为否，则再判断水下自行器是否为该传感器节点的邻居，若判断结果为是，则该传感器节点直接将接收到的数据包发送给水下自行器；若判断结果为否，则再判断水下自行器的转发传感器节点nr是否为该传感器节点的邻居，若判断结果为是，则该传感器节点将接收到的数据包发送给该转发传感器节点nr；若判断结果为否，则将该传感器节点将接收到的数据包发送给该传感器节点距离基站三跳范围内的任意邻居。
距离基站三跳范围内的传感器节点的路由，首先判断该传感器节点是否为当前的聚集传感器节点na，若判断结果为是，则该传感器节点将接收到的数据包转发给转发传感器节点nr；若判断结果为否，则该传感器节点将接收到的数据包发送给该传感器节点距离基站三跳范围内的邻居中距离当前聚集传感器节点na最近的节点。
距离基站四跳范围以上的传感器节点的路由，首先判断该传感器节点是否位于当前聚集线上，若判断结果为是，则将该传感器节点接收到的数据包发送给聚集传感器节点na；若判断结果为否则将该传感器节点接收到的数据包发送给该传感器节点距离基站的跳数相同的邻居中距离聚集线最近的传感器节点。
水下聚集路由算法的目的是为了利用水下自行器作为转发中继，最大化网络寿命，具体算法如下：
输入：nv：水下自行器的当前位置
na：当前聚集节点
nr：当前转发节点
switch k：the hops from the sink do
case 1
if n！＝nv then Send packets to the sink
break
case 2
if n＝＝nr_has neighbor(nv)then
Send packets to the AUV
else
if has neighbor(nr)then
Send packets to the nr
else
Send packets to a neighbor node n_，n_∈S3|A
end
end
break
end
case 3
if n＝＝na then
Send packets to nr
else
Send packets to a neighbor node n_which satisfies that
_n_Ona is the least one in all the neighbors
end
break
end
otherwise
if_nOna≥θthen
Send packets to a neighbor node n_which satisfies that
_n_Ona is the least one in all the neighbors
else
Using GPSR to send data to na
end
end
end
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，其特征在于：所述水下自行器上设有传感器节点，所述方法包括如下步骤：
(1)将传感器节点以随机的方式设置于需要监控的水域中，并将基站设置在所述水域的水面中心位置；
(2)传感器节点收集其位置信息，以及其距离基站的跳数，并提供这些信息给基站；
(3)基站根据传感器节点提供的这些信息，设置水下自行器的航行计划，并将所述航行计划广播至三维水下传感网，水下自行器根据航行计划开始航行；
(4)依据航行计划，距离基站远近不同的传感器节点根据水下聚集路由算法发送并转发数据。
2.根据权利要求1所述的利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，传感器节点通过定位算法确定其位置信息；通过交换信标包方式计算出其距离基站的跳数；距离基站两跳范围内的传感器节点，发送一个三元组数据包Tr{n1，n2，A}信息给基站，其中，n2为该传感器节点的位置，n1为该传感器节点距离基站一跳范围内的邻居，A为该传感器节点距离基站三跳范围内的邻居。
3.根据权利要求1所述的利用水下自行器的移动提高三维水下传感网寿命的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，距离基站远近不同的水下自行器根据水下聚集路由算法发送并转发数据。
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