CN104539374A - 基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，是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，将监测水域的水面传感层划分成多个监测块，并依此完成对水下传感层的垂直分割；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，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以确定自身最佳位置；基站借助于无线电磁波发出查询信息，簇头传感节点对信息进行融合处理并转发给基站。本发明中的组网方法有效降低了节点的能量消耗、减少了整个水域内节点间的通信干扰，同时提高了有效数据的传送效率、减轻了网络的通信负载。

Description

基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法

技术领域

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

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。

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究和应用的热点。

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。

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一般采用水声通信，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；⑶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；⑸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；⑹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

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。

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：

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；

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；

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；

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。

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。

本发明的一个实施例还包括如下特征：

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。

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。

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。

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。

更进一步的，所述簇头传感节点的选举满足算法：

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)，并生成随机数Rn∈(0,1)，若Rn<P(n)，则该节点当选簇头，其中，阈值P(n)的计算公式为：

$P\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}(r-1)C^2/\left({\mathrm{tA}}^2\right),& t=0\\ C/A,& \mathrm{else}\end{array}\right.$

上式中，C表示簇头传感节点的期望数量；A表示水面多功能传感节点总数量；r表示网络当前周期数；t表示此前(r-1)个周期中节点n担任簇头的次数。

通过此算法，可以均衡节点能耗，即实现水面传感网中的水面多功能传感节点能量消耗基本一致，避免个别水面多功能传感节点因多次连续担任簇点而导致能量跳级剧降。

本发明的一个实施例，所述步骤S400中，当能够采集所需环境信息的簇头传感节点位于基站无线电磁波的通信范围之外时，则由位于基站无线电磁波的通信范围之内的其他簇头传感节点借助于水面传感网将基站的查询信息转发给能够采集所需环境信息的簇头传感节点，再由该簇头传感节点借助于水声传感网将这一查询信息发送给簇内水下传感节点；此后，水下传感节点采集环境信息并反馈回簇头传感节点，簇头传感节点对此类信息进行融合处理后借助于水面传感网传递给岸边基站。如此通过水面传感网间的多点远距离快速传送数据，可降低在水面建立基站的成本；基站发出的查询信息以及水下传感节点采集到的环境信息主要借助与水面传感网进行远距离高效可靠传输，从而降低水下传感网络的通信负载、提升基站的信息采集速度、提高网络整体工作效率；由于对监测区域实现分割，使得监测数据的获取更快速准确。

进一步的，所述水下传感节点采集基站所需的环境信息反馈回簇头传感节点的过程为逐跳向上传输。如此，可以形成明确的数据传递方向，减少盲目传输过程中的能量消耗，同时提升数据传送速度。

更进一步的，所述述水下传感节点将采集到的环境信息反馈回簇头传感节点的过程按以下方式实现：水下传感节点与所属簇的簇头传感节点间建立一个半径为R的虚拟通讯管道，只有位于管道内且具有更高转发系数的的水下传感节点具有数据包转发资格，直至信息被转发到簇头传感节点。通过建立虚拟通讯管道，可以形成更明确的信息数据传递方向、缩短传递路径、提升传输速度，从而实现数据包传输时延最小、网络能耗最低。

更进一步的，所述只有位于管道内且具有更高转发系数的水下传感节点具有数据包转发资格，其中计算水下传感节点转发系数的方法是：水下传感节点基于自身的位置以及能量信息计算其各自的转发系数P_f，P_f满足公式P_f＝α·P_d+(1-α)·P_e，其中P_d为基于节点位置信息计算得出的转发系数，距离水面越近则P_d取值越大；P_e为基于节点剩余能量信息计算得出的转发系数，剩余能量越多则P_e取值越大；α、1-α为各部分信息在计算中所占的比重。

通过本发明中提出的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，基站可以准确高效地获得所需要的环境信息，并能避免环境信息的盲目收集与传送、有效地降低网络能耗、减少节点间的通信干扰、减轻网络的通信负载，同时大幅提升网络在传递有效数据、均衡节点能耗等方面的工作效率。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明中水面传感网-水声传感网分层混合部署结构图。

图2为本发明中簇头传感节点的自适应移动策略示意图。

图3为本发明中基于查询机制的主动式路由过程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-3对本发明实施例的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法做进一步的描述。

如图1所示，进行水上传感网络和水下传感网络的三维分层混合部署，将三维监测区域分成水面和水下二层：可移动的水面多功能传感节点以随机部署方式散布覆盖水面层以形成水面传感网，水下传感节点以体心立方格方式对水下层进行确定性覆盖，或者以三维随机方式在水下层进行部署后形成水下传感网，从而实现水面传感网与水下传感网形成静态分层、水面多功能传感节点与水下传感节点的混合部署。UWSN工程部署时，由于节点成本较高，因而易采用稀疏方式，即基于预定义的结构将节点锚定在水中，并设定好各节点的ID，此外为进一步降低网络搭建成本，多个节点可共用同一个锚。如果是突发性、临时性监测任务，则可借助舰船、飞机等通过抛洒的方式完成对所有节点的部署。

水面和水下节点部署完成后，如图1和图3中所示，随机从水面多功能传感节点中选取一部分成为簇头，簇头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；当基站或空中飞行器需要进行数据采集时，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节点，簇头节点对信息进行融合处理后发送给基站。

进一步的，其中的水面多功能传感节点为漂浮于水面上具有自行移动能力的多功能传感节点，其水上部分通过电磁信道与其他水面节点组成水面传感网，水下部分借助水声换能器与其他水下传感节点组成水声传感网。这样，借助多功能节点的双重通信功能，实现水面传感网和水声传感网的无缝混合部署。所述水面多功能传感节点配备太阳能电池板，可以适时为其电池充电，延长工作寿命；同时，它还配备移动装置，可参照GPS定位信息，借助电力或波浪移动到指定位置，以构造特定网络拓扑并提高网络性能；此外，借助GPS定位信息及接收到的水声信号的强度和方向，水面多功能传感节点还能对水下传感节点的位置信息做出估计。

当经过一个分簇周期后，与其他水面多功能传感节点相比，簇头传感节点处理的信息更多、消耗的能量更多，因此为均衡水面多功能传感节点的能量消耗，从而延长网络的生存周期，需要重新选取簇头节点进行分簇。重新分簇的过程包括簇头传感节点选取、水下传感节点入簇、簇头节点自适应移动三个过程。首先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节点，然后簇头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，其中所述簇头节点的选举满足以下算法：

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)，并生成随机数Rn∈(0,1)，若Rn<P(n)，则该节点当选簇头，其中，阈值P(n)的计算公式为：

$P\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}(r-1)C^2/\left({\mathrm{tA}}^2\right),& t=0\\ C/A,& \mathrm{else}\end{array}\right.$

上式中，C表示簇头传感节点的期望数量；A表示水面多功能传感节点总数量；r表示网络当前周期数；t表示此前(r-1)个周期中节点n担任簇头的次数。

通过此算法，可以实现水面传感网中的簇头传感节点能量消耗基本一致，避免个别水面多功能传感节点因多次连续担任簇点而导致能量跳级剧降，这样可进一步均衡网络能耗，延长网络生存周期。

上述水面传感网和水声传感网无缝混合部署方式综合了随机部署和确定性部署的优点，尤其是让可移动水面多功能传感节点轮流承担簇头传感节点的任务，充分利用了水面多功能传感节点电池容量大、移动能力强的优势，大幅提升网络性能；其次，利用水面传感网络中无线电磁波传输速率高、通信能耗低、传输距离远的优势来弥补水声传感网带宽低、时延大、能耗高、误码率高的劣势，从根本上保证了水面传感网-水声传感网混合组网方法的高性能。

如图2所示，簇头节点进行自适应移动以确立自身最佳位置。部分水面多功能传感节点当选为簇头后，面向水下传感节点进行簇头信息广播，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；簇头节点通过接收水下传感节点的入簇信息，确定所有簇内节点分布情况；为了与尽可能多的水下传感节点建立通信关系，簇头节点需要进行自适应移动以确立自身最佳位置。

如图2(a)所示，簇头节点初始位置为O，当水下传感节点入簇完成之后，簇头节点统计簇内节点的分布情况，若发现其覆盖范围内(以R为半径的圆柱区域)的较多水下传感节点未能入簇，则进行自适应移动；

如图2(b)所示，簇头节点的移向未入簇水下传感节点所处水域，但同时保证已入簇水下传感节点不会脱离覆盖。簇头节点完成自适应移动后的位置O’如图2(b)所示，可见簇头节点能够覆盖更多的水下传感节点。

该自适应移动策略能够保证簇头传感节点对水下传感节点的高覆盖率，从而保证UWSN的通信实时性、可靠性、准确性，即能够将水下传感节点采集的监测信息能够及时上传到基站，也能将基站的控制信息及时传递给水下传感节点。

如图3所示，基站可以实现按需查询，即基于网络使用者的特殊需要，选择性的查询局部监测区域内的某些监测信息。该策略有利于基于查询机制的主动式路由通信，减少网络通信的盲目性，降低网络负载。

首先，按照水面多功能传感节点的分布，将水面区域划分为4个监测区域：区域1、区域2、区域3和区域4；其次，对应水面区域的划分，沿区域分割线进行垂直向下扩展，将水下监测区域分割为同等数量的监测块，如此便将整个水面传感网-水声传感网进行了三维划分，整个较大的监控水域被划分为若干个柱体区域。其中基于查询机制的主动式路由工作流程如下：

当基站需要获取区域4(阴影部分)的水域信息时，基站发出查询消息，但是由于基站通信距离的限制，只有位于区域2中的水面多功能传感节点B能够接收到这一数据包，则B首先根据查询包中携带的信息判定基站所需数据的具体来源(即地理区域)，若这一区域为B所在区域，则借助于自身水声换能器将查询信息转发给该水域内水下传感节点，否则借助于天线将查询消息转发给其他水面多功能传感节点；其他水面多功能传感节点重复执行水面节点B的这一过程，直至查询信息到达位于被查询水域的水面多功能传感节点D，此后，D借助于水声换能器将查询信息转发给该水域内(即水域4)的水下传感节点；区域4中的水下传感节点采集基站所需的环境监测信息，并逐跳向上传递给水面多功能传感节点D，再通过其他水面多功能传感节点的转发，最终将数据发送到基站。这样，基站就可以准确高效地获得所需要的数据信息，从而避免了节点数据的盲目收集与发送，有效的降低了节点的能耗、减少了整个水域节点间的通信干扰，同时提高了有效数据的传送效率，减轻了网络的通信负载。

所述水下传感节点S采集信息反馈回簇头节点的过程为逐跳向上传递给水面多功能传感节点，其中水下传感节点S将采集到的环境信息反馈回簇头节点D的过程按以下方式实现：水下传感节点S与所属簇的簇头节点D间建立一个半径为R的虚拟通讯管道，只有位于管道内且具有更高转发系数的的水下传感节点具有数据包转发资格，直至信息被转发到簇头节点D。所述只有位于管道内且具有更高转发系数的水下传感节点具有数据包转发资格，其中计算水下传感节点转发系数的方法是：

水下传感节点基于自身的位置以及能量信息计算其各自的转发系数P_f，P_f满足公式P_f＝α·P_d+(1-α)·P_e，其中P_d为基于节点位置信息计算得出的转发系数，距离水面越近则P_d取值越大；P_e为基于节点剩余能量信息计算得出的转发系数，剩余能量越多则P_e取值越大；α、1-α为各部分信息在计算中所占的比重。

如此，可以形成明确的数据传递方向，减少盲目传输过程中的能量消耗，同时提升数据传送速度，通过建立虚拟通讯管道，可以形成更明确的信息数据传递方向、缩短传递路径、提升传输速度，从而实现数据包传输时延最小、网络能耗最低。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，包括如下步骤：

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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述步骤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覆盖，所述水下传感节点以随机或/和体心方格的方式进行水下部署。

3.根据权利要求1所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述步骤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。

4.根据权利要求1所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述步骤S300中各项工作均是周期性进行的，即进行网络的周期性分簇。

5.根据权利要求4所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述周期性分簇的过程包括选取剩余能量较多的水面多功能传感节点成为簇头传感节点、新的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多个簇头广播信息选择最佳簇头并完成入簇、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并确定自身的最佳位置等多个过程。

6.根据权利要求4所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述簇头传感节点的选举满足如下算法：

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)，并生成随机数Rn∈(0,1)，若Rn<P(n)，则该节点当选簇头，其中，阈值P(n)的计算公式为：

$P\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}(r-1)C^2/\left({\mathrm{tA}}^2\right),& t=0\\ C/A& \mathrm{else}\end{array}\right.$

上式中，C表示簇头传感节点的期望数量；A表示水面多功能传感节点总数量；r表示网络当前周期数；t表示此前(r-1)个周期中节点n担任簇头的次数。

7.根据权利要求1所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述步骤S400中，当能够采集所需环境信息的簇头传感节点位于基站无线电磁波的通信范围之外时，则由位于基站无线电磁波的通信范围之内的其他簇头传感节点借助于水面传感网将基站的查询信息转发给能够采集所需环境信息的簇头传感节点，再由该簇头传感节点借助于水声传感网将这一查询信息发送给簇内水下传感节点；此后，水下传感节点采集环境信息并反馈回簇头传感节点，簇头传感节点对此类信息进行融合处理后借助于水面传感网传递给岸边基站。

8.根据权利要求7所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述水下传感节点将采集到的环境信息反馈回簇头传感节点的过程为逐跳向上传递。

9.根据权利要求8所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述述水下传感节点采集基站所需的环境信息并反馈回簇头传感节点的过程按以下方式实现：

在采集基站信息的水下传感节点与所属簇的簇头传感节点间建立一个半径为R的虚拟通讯管道，只有位于管道内且具有更高转发系数的水下传感节点具有转发数据包的资格，直至信息被转发到所属簇的簇头传感节点。

10.根据权利要求9所述的基于水面传感网-水声传感网的混合组网方法，其特征在于所述只有位于管道内且具有更高转发系数的水下传感节点具有转发数据包的资格，其中计算水下传感节点转发系数的方法是：水下传感节点基于自身的位置以及能量信息计算其各自的转发系数P_f，P_f满足公式P_f＝α·P_d+(1-α)·P_e，其中P_d为基于节点位置信息计算得出的转发系数，距离水面越近则P_d取值越大；P_e为基于节点剩余能量信息计算得出的转发系数，剩余能量越多则P_e取值越大；α、1-α为各部分信息在计算中所占的比重。