CN103747454A - 基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，包括以下步骤：（1）水下无线传感器节点向邻居节点转发消息；（2）每个节点统计邻居节点的个数及位置信息，同时计算每个邻居节点到节点本身的距离；（3）根据邻居节点的位置信息，依次计算对于每个邻居节点，节点所需移动的虚拟距离矢量，（4）根据节点坐标，计算节点到部署区域边界的距离、节点远离边界所移动的虚拟距离；（5）将步骤（3）计算的虚拟距离和步骤（4）所计算的虚拟距离加权求和，按照节点ID号的顺序依次对全网中所有水下节点进行优化。本发明通过对节点的位置进行微调优化，从而使网络中节点部署接近均匀分布，以优化提高整个水下三维网络的覆盖率。

Description

基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络覆盖方法领域，尤其涉及一种基于三维定向移动的无线传感器网络覆盖方法。

背景技术

目前,三维水下无线传感器网络通常将节点部署在水下三维立体空间中，用于检测和观察水底节点无法完全监测的水下事件，在三维水下网络中，水下节点通过电缆与水面的浮子相连，水面浮子上安装有无线通信模块，水面的无线通信节点可以通过单跳或者多跳的方式与岸边的基站进行通信。同时三维水下无线传感器网络通过调节电缆的长度可以调节节点在水下的深度，以满足3D覆盖需要。

三维水下无线传感器网络具有几个特点：水下传感器网络中所有的节点具有相同的感知节径和通信半径；节点的覆盖模型为二元感知覆盖模型，传感器节点在三维空间中的感知区域为球形，因此称节点感知区域为感知圆球；覆盖算法执行之前，节点已准确定位，节点位置已知；节点在水平面不可移动，但纵向可自由移动，并可以准确移动到指定位置。

三维水下无线传感器网络的覆盖方法按照适用场景可以分为确定性部署覆盖和随机部署覆盖。确定性部署覆盖主要研究在特定的部署区域如何使用最少的节点在达到覆盖要求的前提下对已知环境进行监测。随机部署的覆盖方法主要研究传感器网络在未知区域中采取随机抛洒的方式进节点部署，节点采取何种方法移动来达到对监测区域的最佳覆盖。由于水环境存在大量的不确定因素，水下无线传感网络通常采用随机部署的方式。关于移动节点随机部署的覆盖优化方法较为常用的为虚拟力覆盖优化方法。

基于虚拟力的网络覆盖优化方法应用在有限数量且随机抛洒的无线传感网中，虚拟力算法假定节点之间存在引力和斥力两种虚拟力，虚拟力的大小和节点之间的距离相关。通过计算节点所受虚拟力的合力，确定节点移动的方向及移动的距离，重置节点的位置。经过多次迭代计算使传感器网络的覆盖面积达到最大化。虚拟力方法因其灵活性和稳定性而成为目前的研究热点，但是也存在其不足：1、虚拟力方法需根据节点间距离计算区域中任意两个传感器节点之间的虚拟力，计算量较大；2、虚拟力方法中节点受力方向为全向的，运动方向与受力方向一致，在二维平面的覆盖中可以有效的提高覆盖率。但在三维定向移动的传感网中，由于受力的方向与移动方向不一致，导致虚拟力的大小与节点所需移动的距离不成正比。因此虚拟力覆盖优化方法不适用于三维水下传感网。

大多随机部署的覆盖方法研究限定在二维平面的网络，并且假定传感器节点可以随意移动到区域内任意的位置，这并不适用于三维水下传感器网络，因此对于三维定向移动的网络覆盖方法的研究十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，能够提高整个水下三维网络的覆盖率。

本发明采用下述技术方案：一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，包括以下步骤：

（1）、水下无线传感器节点向邻居节点转发消息，消息包括节点的ID号及节点的位置信息；

（2）、每个节点根据收到的消息统计邻居节点的个数及位置信息，同时计算每个邻居节点到节点本身的距离；

（3）、根据邻居节点的位置信息，依次计算对于每个邻居节点，节点所需移动的虚拟距离和移动方向，所述的虚拟距离即两节点的感知圆相切时，节点相对于每个邻居节点所需移动的距离；

（4）、根据节点坐标，计算节点到部署区域边界的距离，若节点到边界的距离小于感知半径，计算节点远离边界所移动的虚拟距离；所述的虚拟距离为节点的感知圆与边界相切时，节点相对于边界所需移动的距离；若节点到边界距离大于感知半径，则进入步骤（5）；

（5）、将步骤（3）计算的虚拟距离和步骤（4）所计算的虚拟距离加权求和，求出每个节点在本次迭代计算时所需移动的距离和移动方向；

（6）、按照节点ID号的顺序依次对全网中所有水下节点进行优化：根据步骤（5）中计算出的每个节点移动的距离和移动方向计算优化后每个节点的新位置；并将每个节点移动至新的位置，同时向邻居结点和基站发送新位置的坐标；

（7）、计算水下无线传感器网络中全部节点实际移动距离大小之和，若小于门限值，则认为网络部署趋于稳定，结束；若大于门限值，返回步骤（2），继续迭代计算对网络进行覆盖优化。

所述的步骤（7）中的门限值为：d_th=ωN²r/V，其中V为部署区域的体积；ω为调节系数，N为节点的数量，r为节点的感知半径。

所述的步骤（4）中计算节点到部署区域边界的距离包括有计算节点到上边界的距离和节点到下边界的距离，当节点到上边界的距离小于感知半径r时，节点相对上边界需移动的虚拟距离为r-h+z_i，方向为

其中h为水下部署区域的深度，节点的位置坐标为(x_i,y_i,z_i)；当节点到下边界的距离小于感知半径r时，节点相对下边界需移动的虚拟距离为r-z_i，方向为

所述的步骤（3）中所述的节点所需移动的虚拟距离为 $\sqrt{{\left(2r\right)}^2-{(x_i-x_j)}^2-(y_i-y_j)}-|z_i-z_j|,$ 移动方向为 $\frac{z_i-z_j}{|z_i-z_j|}\·\frac{\mathrm{\π}}{2},$ 其中节点的坐标位置为(x_i,y_i,z_i)，某个邻居节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)，r为节点的感知半径。

本发明针对水下三维无线传感网随机部署覆盖率低的特点，根据邻居节点和节点间的相对位置关系，对节点的位置进行微调优化，对全网中所有节点依次迭代计算，从而使网络中节点部署接近均匀分布，以优化提高整个水下三维网络的覆盖率。

附图说明

图1为三维水下无线传感器网络示意图；

图2为两个节点所需移动的虚拟距离示意图；

图3为节点与边界相交时所需移动的虚拟距离的示意图；

图4本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示为三维水下无线传感器网络示意图，N个水下传感器节点随机抛洒在W×L×H的三维区域中。节点分为水上和水下两部分，水上部分包含有水面浮子2及浮子上安装的无线通信模块1，无线通信模块可以通过单跳或者多跳的方式和岸边的基站通信。传感器节点4在水下，并通过电缆3和水面节点相连。水下传感器节点通过控制缆绳的长短可以在垂直方向自由移动，沉在水底的锚5可保持节点在水平面的位置固定不变化。

由于三维水下无线传感器网络中节点仅可以沿垂直方向自由移动，节点的感知圆与邻居节点的感知圆相切时，两个节点的感知区域无重叠部分，此时认为两个节点的相对位置为理想位置。节点S_i为达到与某个邻居节点S_j的理想位置而移动的距离称为相对S_j的虚拟距离Δd_ij，将节点S_i对于全部邻居节点的虚拟移动距离叠加，计算出当前节点所需移动的距离大小和方向。通过S_i移动的距离和移动方向来计算节点S_i的新位置，并将节点移动至新位置。

节点均匀分布的传感器网络在工作时，能量的消耗相对来讲会均衡一些，这样可以避免过早出现失效节点，即起到了平衡能量负载的作用。

本发明是在定向移动的水下三维传感网中，对全网中所有节点依次迭代计算，通过调整节点的位置从而使网络中节点部署接近均匀分布，以提高网络的覆盖率。如图4所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

（1）、水下无线传感器节点向邻居节点转发消息，消息包括节点的ID号及节点的位置信息；

（2）、每个节点根据收到的消息统计邻居节点的个数及位置信息，同时计算邻居节点到节点本身的距离；

（3）、根据邻居节点的位置信息，依次计算对于每个邻居节点，节点所需移动的虚拟距离和移动方向，所述的虚拟距离即节点与邻居节点的感知圆相切时，节点相对于每个邻居节点所需移动的距离；

如图2所示为仅有两个传感器节点的节点移动示意图，S_i，S_j为相邻的两个水下传感器节点，实线圆1表示节点S_i感知圆球的实际位置；虚线圆2表示节点S_i的感知圆球相对节点S_j的理想位置。

节点只可以沿z轴方向纵向移动，S_i，S_j之间距离小于2r。当S_i、S_j的感知圆相切时，两个节点的感知区域不存在重叠部分，此时认为两个节点的相对位置为理想位置。图2中当节点S_j保持位置不变化的前提下，节点S_i向上移动距离Δd_ij之后，节点S_i，S_j的感知圆球相切，重叠的覆盖面积为0，两个传感器节点间的相对位置最佳。

已知两个传感器节点的位置信息分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)，两个节点间的距离为d_ij，则由几何关系可得，

${\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{\left(2r\right)}^2-{(x_i-x_j)}^2-(y_i-y_j)}-|z_i-z_j|$

因此，节点S_i相对节点S_j所需移动的虚拟距离和移动方向为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{ij}}}=\left\{\begin{array}{cc}0& d_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;2r\\ (\sqrt{{\left(2r\right)}^2-{(x_i-x_j)}^2-(y_i-y_j)}-|z_i-z_j|,\frac{z_i-z_j}{|z_i-z_j|}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})& d_{\mathrm{ij}}<2r\end{array}\right.$

当部署区域内节点数量过少时，节点的移动并不能对网络的覆盖产生有益的影响，即两个节点的感知区域不存重叠部分时，节点不需要移动。因此只有当两个节点互为邻居节点时，才会产生虚拟的移动距离，但节点所需移动的距离并不和两个节点重叠的面积成正比，而是与理想状况下节点在移动方向上移动的相对距离成正比。

（4）、根据节点坐标，计算节点到部署区域边界的距离，若节点到边界的距离小于感知半径，计算节点远离边界所移动的虚拟距离；所述的虚拟距离为节点的感知圆与边界相切时，节点相对于边界所需移动的距离；若节点到边界距离大于感知半径，则进入步骤（5）；

当节点到边界的距离小于感知半径r时，为了使节点得到充分的利用，节点需要远离边界运动，但仅限于相对于区域的上下边界，如图3所示，实线圆1表示节点S_i感知圆球的实际位置；虚线圆2表示节点S_i的感知圆球相对上边界的理想位置。

节点S_i到上边界的距离为d，d<r，上边界的坐标为z=h，h为水下部署区域的深度节点需向下移动。当节点与上边界相切时，节点的全部感知区域处于监测区域内部，此时节点S_i相对上边界处于理想的位置。理想情况下节点S_i所需移动的虚拟距离和方向为

$\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{iu}}}=\left\{\begin{array}{cc}(r-h+z_i,-\mathrm{\&pi;}/2)& d<r\\ 0& d\&GreaterEqual;r\end{array}\right.$

若边界为下边界，下边界的坐标为z=0，则节点相对下边界所需移动的虚拟距离和方向为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{id}}}=\left\{\begin{array}{cc}(r-z_i,\mathrm{\&pi;}/2)& d<r\\ 0& d\&GreaterEqual;r\end{array}\right.$

（5）、将步骤（3）计算的虚拟距离Δd_ij和步骤（4）所计算的虚拟距离

加权求和，求出每个节点在本次迭代计算时所需移动的距离和移动方向；

N_i为节点S_i的邻居节点集合，节点移动的实际距离为所需移动的虚拟距离之和。

$\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_i}=\underset{S_j\&Element;N_i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&omega;}}_R\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{ij}}}+{\mathrm{\&omega;}}_h\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{iu}}}+{\mathrm{\&omega;}}_h\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{id}}}$

ω_R和ω_h为加权值，取值范围为(0，1]，加权值的大小可以调节方法的收敛速度，加权值较大时，收敛速度较快，但是最终结果不稳定，加权值较小时，收敛速度较慢，但是最终结果相对稳定，通常加权值根据实际需求估计取得。

（6）、按照节点ID号的顺序依次对全网中所有水下节点进行优化：根据步骤（5）中计算出的每个节点移动的距离和移动方向计算优化后每个节点的新位置；并将每个节点移动至新的位置，同时向邻居节点和基站发送新位置的坐标；

（7）、计算水下无线传感器网络中N个节点实际移动距离大小之和Δd_all，

${\mathrm{\&Delta;d}}_{\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&Delta;d}}_i}\right|$

若小于门限值d_th，则认为网络部署趋于稳定，方法结束；若大于门限值d_th，返回步骤（2），继续迭代计算对网络进行覆盖优化。其中门限值d_th与节点的感知半径和网络中节点的部署密度相关，

d_th=ωN²r/V

V为部署区域的体积；ω为调节系数，通常取ω_R和ω_h的最小值。

Claims (4)

1.一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、水下无线传感器节点向邻居节点转发消息，消息包括节点的ID号及节点的位置信息；

（2）、每个节点根据收到的消息统计邻居节点的个数及位置信息，同时计算每个邻居节点到节点本身的距离；

（3）、根据邻居节点的位置信息，依次计算对于每个邻居节点，节点所需移动的虚拟距离和移动方向，所述的虚拟距离即两节点的感知圆相切时，节点相对于每个邻居节点所需移动的距离；

（4）、根据节点坐标，计算节点到部署区域边界的距离，若节点到边界的距离小于感知半径，计算节点远离边界所移动的虚拟距离；所述的虚拟距离为节点的感知圆与边界相切时，节点相对于边界所需移动的距离；若节点到边界距离大于感知半径，则进入步骤（5）；

（5）、将步骤（3）计算的虚拟距离和步骤（4）所计算的虚拟距离加权求和，求出每个节点在本次迭代计算时所需移动的距离和移动方向；

（6）、按照节点ID号的顺序依次对全网中所有水下节点进行优化：根据步骤（5）中计算出的每个节点移动的距离和移动方向计算优化后每个节点的新位置；并将每个节点移动至新的位置，同时向邻居结点和基站发送新位置的坐标；

（7）、计算水下无线传感器网络中全部节点实际移动距离大小之和，若小于门限值，则认为网络部署趋于稳定，结束；若大于门限值，返回步骤（2），继续迭代计算对网络进行覆盖优化。

2.根据权利要求1所述的基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，其特征在于，所述的步骤（7）中的门限值为：

d_th=ωN²r/V，其中V为部署区域的体积；ω为调节系数，N为节点的数量，r为节点的感知半径。

3.根据权利要求1所述的基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，其特征在于：所述的步骤（4）中计算节点到部署区域边界的距离包括有计算节点到上边界的距离和节点到下边界的距离，当节点到上边界的距离小于感知半径r时，节点相对上边界需移动的虚拟距离为r-h+z_i，方向为

其中h为水下部署区域的深度，节点的位置坐标为(x_i,y_i,z_i)；当节点到下边界的距离小于感知半径r时，节点相对下边界需移动的虚拟距离为r-z_i，方向为

4.根据权利要求1所述的基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，其特征在于：所述的步骤（3）中所述的节点所需移动的虚拟距离为 $\sqrt{{\left(2r\right)}^2-{(x_i-x_j)}^2-(y_i-y_j)}-|z_i-z_j|,$ 移动方向为 $\frac{z_i-z_j}{|z_i-z_j|}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 其中节点的坐标位置为(x_i,y_i,z_i)，某个邻居节点的坐标为(x_j,y_j,z_j)，r为节点的感知半径。

Images