CN103067929B - 一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法 - Google Patents

Abstract

一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法，将多个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，并在目标水域水面中央部署一个汇聚节点，作为此区域水下传感器节点的管理控制中心。从目标水域水面层开始，由汇聚节点逐层生成各水深层面中水下传感器节点的泰森拓扑图，并且通过计算水下传感器节点对应的泰森多边形面积，考察水下传感器节点在水平方向上的疏密度，将水平层面中过密的节点沉降到下一层面，直到目标水域水底。本方法通过随机抛洒方式部署节点，并利用节点的下沉机制扩大水下覆盖范围，减少了水下传感器网络的部署成本。

Description

一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络（UWSNs）节点部署与覆盖控制，特别涉及了一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法。

背景技术

目前，水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)已引起各国政府、研究机构和企业的高度关注。水下传感器节点能对网络所覆盖的区域进行中长期的水下预替、目标检测、海洋水文环境要素监测等。同时，在未来多基地和舷外分布式传感器系统构成的庞大的反潜战网络中，水下数据通信是关键，而水声网络承担着探测、数据通信的重要使命。

传感器节点部署是传感器网络系统前端信息采集和后端信息处理的有机的结合点，在传感器网络系统中起重要作用。传感器网络部署要研究的问题主要表现在两方面：一是感知区域中传感器节点的优化配置问题以及地形障碍状况对传感器网络配置的影响；二是传感器网络配置的资源管理问题，即研究解决传感器节点失效的冗余技术和保证系统长期正常工作的能源有效技术。

S.N.Alam和Z.Haas围绕利用最少节点实现3-D环境的最大覆盖这一问题展开研究，文章比较了截顶正八面体、菱形十二面体、六角菱柱体以及立方体等作为填充物来分别考察覆盖率，论证了当节点通信范围和传感范围的比值大于等于某一固定数值时，截顶八面体的覆盖效果要优于立方体、正六棱柱和菱形十二面体，并证明截顶正八面体结构中，当节点的通信半径与感知半径的比例大于1.889时可保证覆盖区域节点的连通性。该文献为实现以最少节点满足水下三维环境无线传感器网络节点的部署提供了很好的理论研究。

Carrick Detweiler等人设计了一种可调节深度的水下无线传感器节点，这种节点可以根据应用需求任意调节其在水下的深度。为深度调节作为水下环境的覆盖控制机制理论研究铺平了道路。

E.Cayirci和H.Tezcan提出了一种基于表面随机配置的UWSN覆盖控制方法：网络初始配置时，在水平面上随机布置一定数量的节点，每个节点存在一个调整空间，根据每个节点的调整空间内的邻居节点深度安排其自身深度。但是节点之间的通信必须通过水面的浮标来完成，数据的传输方式采用的是无线电波而非声波方式，这样必然增大节点通信产生的能耗。

而作为计算几何中十分重要的一个图形结构，泰森（Voronoi）图频繁地出现在网络性能优化等问题中。Wang等人就提出了一种假设基于泰森图的随机部署方法，他假设节点在水平方向具有移动性，利用泰森图查找区域的覆盖漏洞并利用节点的移动性弥补漏洞，以实现目标区域的覆盖，可是该方法只能应用于二维环境，尚未讨论三维环境下的情况。

发明内容

基于以上背景技术当中的不足，本发明提出一种基于泰森（Voronoi）图的水下传感器网络节点的深度调节方法，它是一种水下无线传感器网络节点部署方法，提高水下环境覆盖效果同时减少人工操作，优化随机部署的节点布局。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于泰森（Voronoi）图的水下传感器网络节点的深度调节方法，其特征在于：初始阶段，将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点均含有环境监测传感器、微控制器、无线声通信模块、电源模块以及用于水下传感器节点下沉或上浮的活塞式气泵及其压力感应控制开关；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点深度调节的控制中心，汇聚节点含有控制器、无线电、声通信模块、电源模块以及使其定位于水面的浮标；首先，目标水域水面上的水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标传输给汇聚节点，汇聚节点根据这些坐标信息生成该层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；接着，汇聚节点根据该二维泰森拓扑图中每个水下传感器节点对应的泰森多边形的面积选取需调节下沉的水下传感器节点并计算下沉深度；然后，汇聚节点发出控制指令，让所选取的水下传感器节点下沉到相同的深度；最后，所有完成下沉的水下传感器节点在该下沉深度上又形成一个新的层面；采用前述同样的方法对该层面上的水下传感器节点集合进行再次调节，如此循环反复，直至水下传感器节点下沉到目标水域的水底；本方法通过计算泰森多边形面积考察水下传感器节点在水平方向上的疏密性，将水平层面中过密的节点沉降，使随机部署于目标水域水面的水下传感器节点以层次划分的形式分布于目标水域中；包括如下步骤：

步骤1：将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点之间通过无线声通信模块进行通信；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点的深度调节的控制中心，汇聚节点与水下传感器节点之间也通过无线声通信模块进行通信；设S={u₁,u₂,...,u_n}为所有水下传感器节点的集合，为保证有足够的水下传感器节点覆盖目标水域，取其中，A为目标水域水面的表面积，H为目标水域的深度，R_S为水下传感器节点的感知半径；设第i层水下传感器节点所处水平面相对于目标水域水面的深度为h_i，第i层水下传感器节点集合记为S_i；初始阶段：i＝0，h₀=0，S₀=S；

步骤2：由汇聚节点判断，若h_i+R_S≤H且S_i为非空条件成立，即存在允许范围内的下沉空间并且存在可调节的传水下感器节点，则继续执行；否则，执行结束；

步骤3：第i层水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标：u_j(x,y)，u_j∈S_i,j＝1,2,...,m，m＝|S_i|，通过无线声信道传输给汇聚节点；汇聚节点根据这些坐标信息生成第i层水下传感器节点集合的二维泰森（Voronoi）拓扑图；

步骤4：汇聚节点计算以上第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图中的泰森（Voronoi）多边形的平均面积：其中，为S_i中的水下传感器节点u_j所对应的泰森多边形的面积，m＝|S_i|；选取S_i中所有面积值小于η_Area所对应的水下传感器节点为需调节下沉的节点集合，称作调节节点集合，记为S_a，其余水下传感器节点则停留于原坐标位置保持静止；

步骤5：汇聚节点计算确定的下沉深度Δh，由公式(1)给出：

$\mathrm{\&Delta;h}=\left\{\begin{array}{cc}{R}_s,& {\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}\&GreaterEqual;R_S\\ (1+\frac{\sqrt{3}}{2})R_S,& 0<{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}<R_S\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，η_Dis为S_i中水下传感器节点间的平均距离；

步骤6：汇聚节点通过无线声信道向调节节点集合S_a中的水下传感器节点发出下沉控制指令；收到指令后，S_a中的水下传感器节点的微控制器启动活塞式气泵将水注入节点内部使其下沉，压力感应控制开关则根据水压控制S_a中的水下传感器节点统一下沉到深度为h_i+Δh的第i+1层面，而其在水平方向上的坐标不变；

步骤7：汇聚节点待所有S_a中水下传感器节点下沉完成后，更新状态，令h_i+1=h_i+Δh，S_i+1＝S_a，i＝i+1，重新执行步骤2，进行下一轮调节。

本发明具有以下优点及有益效果：

（1）提出了一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法，利用泰森图的几何特性和水下传感器节点自身的下沉机制，通过调节节点的深度，实现最大化节点距离并提高水下传感器网络的覆盖性能；

（2）采用的随机部署方式，网络初始配置时，节点被随机部署于目标水域的水面上，减少了非必要的人工操作。

附图说明

图1为基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法的系统架构；

图2a)、b)分别为水下传感器节点和汇聚节点的内部结构图；

图3为基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：在目标水域中随机部署多个具有深度可调节功能的水下传感器节点，由汇聚节点逐层生成各水深层面中水下传感器节点的泰森拓扑图，并且通过计算水下传感器节点对应的泰森多边形面积，考察水下传感器节点在水平方向上的疏密度，对于水平层面中过密的节点，令其水平方向坐标不变，而将沉降到下一水深层面，扩大水下覆盖率，直到目标水域水底。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

图1为本方法的系统架构，目标水域由多个同型号水下传感器节点监测，另在目标水域水面中央布置一个汇聚节点，作为此区域水下传感器节点的管理控制中心。

水下传感器节点和汇聚节点的内部组成如图2所示。图2a)水下传感器节点含有环境监测传感器、微控制器、无线声通信模块、电源模块、活塞式气泵及其压力感应控制开关，其中，环境监测传感器用于监测水下环境参数的变化，无线声通信模块用于水下传感器节点之间以及与汇聚节点的通信，活塞式气泵及其压力感应控制开关用于水下传感器节点下沉或上浮，微控制器用于水下传感器节点的总控；图2b)汇聚节点含有控制器、无线电、声通信模块、电源模块以及浮标，其中，无线声信道模块用于其与水下传感器节点的通信，无线电通信模块用于其与其它远程网络设备的通信，浮标用于使其定位漂浮于水面，控制器用于数据处理和水下传感器节点的深度调节。汇聚节点采用分层方法控制水下传感器节点的实际深度，从而实现目标水域的覆盖。

图3为本方法的流程图：初始阶段，将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点深度调节的控制中心；首先，目标水域水面上的水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标传输给汇聚节点，汇聚节点根据这些坐标信息生成该层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；接着，汇聚节点根据该二维泰森拓扑图中每个水下传感器节点对应的泰森多边形的面积选取需调节下沉的水下传感器节点并计算下沉深度；然后，汇聚节点发出控制指令，让所选取的水下传感器节点下沉到相同的深度；最后，所有完成下沉的水下传感器节点在该下沉深度上又形成一个新的层面；采用前述同样的方法对该层面上的水下传感器节点集合进行再次调节，如此循环反复，直至水下传感器节点下沉到目标水域的水底；具体包括如下步骤：

步骤1：将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点之间通过无线声通信模块进行通信；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点的深度调节的控制中心，汇聚节点与水下传感器节点之间也通过无线声通信模块进行通信；设S={u₁,u₂，...,u_n}为所有水下传感器节点的集合，为保证有足够的水下传感器节点覆盖目标水域，取其中，A为目标水域水面的表面积，H为目标水域的深度，R_S为水下传感器节点的感知半径；设第i层水下传感器节点所处水平面相对于目标水域水面的深度为h_i，第i层水下传感器节点集合记为S_i；初始阶段：i＝0，h₀=0，S₀=S；

步骤2：由汇聚节点判断，若h_i+R_S≤H且S_i为非空条件成立，即存在允许范围内的下沉空间并且存在可调节的传水下感器节点，则继续执行；否则，执行结束；

步骤3：第i层水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标：u_j(x,y)，u_j∈S_i，j＝1,2,...,m，m＝|S_i|，通过无线声信道传输给汇聚节点；汇聚节点根据这些坐标信息生成第i层水下传感器节点集合的二维泰森（Voronoi）拓扑图；

步骤4：汇聚节点计算以上第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图中的泰森（Voronoi）多边形的平均面积：其中，为S_i中的水下传感器节点u_j所对应的泰森多边形的面积，m＝|S_i|；选取S_i中所有面积值小于η_Area所对应的水下传感器节点为需调节下沉的节点集合，称作调节节点集合，记为S_a，其余水下传感器节点则停留于原坐标位置保持静止；

步骤5：汇聚节点计算确定的下沉深度Δh，由公式(1)给出：

$\mathrm{\&Delta;h}=\left\{\begin{array}{cc}{R}_s,& {\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}\&GreaterEqual;R_S\\ (1+\frac{\sqrt{3}}{2})R_S,& 0<{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}<R_S\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，η_Dis为S_i中水下传感器节点间的平均距离；

步骤6：汇聚节点通过无线声信道向调节节点集合S_a中的水下传感器节点发出下沉控制指令；收到指令后，S_a中的水下传感器节点的微控制器启动活塞式气泵将水注入节点内部使其下沉，压力感应控制开关则根据水压控制S_a中的水下传感器节点统一下沉到深度为h_i+Δh的第i+1层面，而其在水平方向上的坐标不变；

步骤7：汇聚节点待所有S_a中水下传感器节点下沉完成后，更新状态，令h_i+1=h_i+Δh，S_i+1＝S_a，i＝i+1，重新执行步骤2，进行下一轮调节。

Claims (1)

1.一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法，其特征在于：初始阶段，将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点均含有环境监测传感器、微控制器、无线声通信模块、电源模块以及用于水下传感器节点下沉或上浮的活塞式气泵及其压力感应控制开关；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点深度调节的控制中心，汇聚节点含有控制器、无线电通信模块、无线声通信模块、电源模块以及使其定位于水面的浮标；首先，目标水域水面上的水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标传输给汇聚节点，汇聚节点根据这些坐标信息生成目标水域水面层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；接着，汇聚节点根据该二维泰森拓扑图中每个水下传感器节点对应的泰森多边形的面积选取需调节下沉的水下传感器节点并计算下沉深度；然后，汇聚节点发出控制指令，让所选取的水下传感器节点下沉到相同的深度；最后，所有完成下沉的水下传感器节点在该下沉深度上又形成一个新的层面；采用前述同样的方法对该层面上的水下传感器节点集合进行再次调节，如此循环反复，直至水下传感器节点下沉到目标水域的水底；本方法通过计算泰森多边形面积考察水下传感器节点在水平方向上的疏密性，将水平层面中过密的节点沉降，使随机部署于目标水域水面的水下传感器节点以层次划分的形式分布于目标水域中；包括如下步骤：

步骤1：将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点之间通过无线声通信模块进行通信；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点的深度调节的控制中心，汇聚节点与水下传感器节点之间也通过无线声通信模块进行通信；设S＝{u₁,u₂,...,u_n}为所有水下传感器节点的集合，为保证有足够的水下传感器节点覆盖目标水域，取其中，n为水下传感器节点的总数，A为目标水域水面的表面积，H为目标水域的深度，R_S为水下传感器节点的感知半径；设第i层水下传感器节点所处水平面相对于目标水域水面的深度为h_i，第i层水下传感器节点集合记为S_i；初始阶段：i＝0，h₀＝0，S₀＝S；

步骤2：由汇聚节点判断，若h_i+R_S≤H且S_i为非空条件成立，即存在允许范围内的下沉空间并且存在可调节的传水下感器节点，则继续执行；否则，执行结束；

步骤3：第i层水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标：u_j(x,y)，u_j∈S_i，j＝1,2,…,m，m＝|S_i|，通过无线声信道传输给汇聚节点；汇聚节点根据这些坐标信息生成第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；

步骤4：汇聚节点计算以上第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图中的泰森多边形的平均面积：其中，为S_i中的水下传感器节点u_j所对应的泰森多边形的面积，m＝|S_i|；选取S_i中所有面积值小于η_Area所对应的水下传感器节点为需调节下沉的节点集合，称作调节节点集合，记为S_a，其余水下传感器节点则停留于原坐标位置保持静止；

步骤5：汇聚节点计算确定的下沉深度Δh，由公式(1)给出：

$\mathrm{\&Delta;h}=\left\{\begin{array}{cc}{R}_s,& {\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}\&GreaterEqual;R_S\\ (1+\frac{\sqrt{3}}{2})R_S,& 0<{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{Dis}}<R_S\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，η_Dis为S_i中水下传感器节点间的平均距离；

步骤6：汇聚节点通过无线声信道向调节节点集合S_a中的水下传感器节点发出下沉控制指令；收到指令后，S_a中的水下传感器节点的微控制器启动活塞式气泵将水注入节点内部使其下沉，压力感应控制开关则根据水压控制S_a中的水下传感器节点统一下沉到深度为h_i+Δh的第i+1层面，而其在水平方向上的坐标不变；

步骤7：汇聚节点待所有S_a中水下传感器节点下沉完成后，更新状态，令h_i+1＝h_i+Δh，S_i+1＝S_a，i＝i+1，重新执行步骤2，进行下一轮调节。