CN107994948A - 一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法 - Google Patents

一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，包括建立双层拓扑网络结构；采用适应度函数和网格法选择最优的汇聚节点布放位置；移动Sink规划最短移动路径并移动遍历所有汇聚节点；岸基监控中心通过汇聚节点上层网络向移动Sink多跳发送远程控制命令；移动Sink根据控制命令实时变更移动路径。本发明通过水声和激光通信的多模式通信方式和移动Sink的移动性来实现网络监测数据的采集和传输，可以有效的改善水下通信速率和距离矛盾的瓶颈问题。

Description

一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法
技术领域
本发明属于传感器网络技术领域，具体的说，本发明涉及一种水下异构传感器网络，特别是涉及水下异构传感器网络中一种基于汇聚节点选择机制的移动Sink路径规划方法。
背景技术
海洋环境监测已成为许多国家经济发展和边防安全建设的一部分，构建动态立体的海洋监测与响应系统，对海洋边界区域的环境监测、应急救援、预警防卫等应用十分重要。目前海底监测主要依靠航行器，有线监测站或潜标等驻留仪器进行定期检测，这些方法十分昂贵。近些年由于水声和激光通信等水下通信的发展，使得海底监测成本变得低廉。在海底部署自组织的传感器网络节点进行监测，可以对近海进行大面积覆盖，而移动Sink(自主水下航行器AUV)可以有效地将大规模数据传输到岸基监控中心，移动Sink在传感区域移动并采集节点数据，并由于运行时间的限制，会在规定的时限内返回到基站。
但是现有水下通信方案存在一定的问题，第一，水声通信和激光通信两个主要方案都有各自障碍，其中水声通信提供长距离通信，可以实现大范围的水下传感器网络之间的组网和数据传输，如温度盐度等小量级数据，但由于带宽受限(每秒几百字节)，对于海底大量级数据的采集，如图像和视频传输，这显然不够。而激光通信可以获得高带宽连通性(高达10Mpbs)，能耗也比声通信要低2个数量级，但是通信距离只有不到10米，适合移动Sink与传感器节点间的近距离数据交换，但这种方案便需要移动Sink遍历移动到所有节点附近，导致移动Sink行驶距离过长，能耗高而导致成本过高。
第二，由于部分监测区域由于重要性程度高，需要采集图像或视频等大量级数据，其余部分区域仅需采集温度盐度等小量级数据，如何对传感网节点进行布放，兼顾不同规模数据的采集有待解决。
第三，移动Sink如何规划出最短移动路径，从而在一定时间内通过这条移动路径尽快收集到所有传感器采集的数据，也是重要问题。
第四，当网络部分区域产生突发事件时，需要移动Sink前往进行长时间的监测，或者对损坏的节点进行更换，这需要一种随时远距离通知移动Sink的方法，以便实现岸基监控中心对移动Sink的远程控制。
因此目前亟需提供一种方法能实现水下传感器网络数据的大规模快速采集，同时有效提升网络的寿命，以便使水下传感器网络在现实中得到更充分的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，采用水声传输和光通信混合的多模式通信方式，实现大数据量的数据传输和高速率数据传输；采用双层网络结构，设计汇聚节点最优位置，接收传感器节点采集的数据，缩短移动Sink的移动路径，降低网络能耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，所述的水下异构传感器网络包括密集布放在海底的水下传感器节点、稀疏布放在海底的汇聚节点、移动Sink节点和网关节点；所述的移动Sink路径规划方法包括：
1)汇聚节点位置选择：根据汇聚节点数量和汇聚节点选择的适应度函数，采用网格法来依次计算汇聚节点布放的最优位置，得到最优的汇聚节点集合的信息；移动Sink根据该信息，依次移动到相应位置来布放各汇聚节点；
2)网络拓扑结构构建：各个汇聚节点与周围传感器节点组网形成双层的簇结构，汇聚节点与其簇内各传感器节点组成下层网络结构，簇内传感器节点通过多跳接力的方式将采集的数据上传到汇聚节点进行存储；汇聚节点和网关节点构成上层网络结构，网关节点向汇聚节点的链路方向为下行路径，汇聚节点向网关节点链路方向为上行路径。
3)移动Sink路径规划及移动遍历：移动Sink根据所有汇聚节点的位置信息，采用经典旅行商算法规划得到遍历所有汇聚节点的最短移动路径，然后按照该路径依次移动到每个汇聚节点附近，通过激光通信方式接收汇聚节点上传的存储数据，最后移动到网关节点附近，通过激光通信方式将采集数据上传；然后循环进行下一轮移动遍历；
4)网络数据转发及远程控制：网关节点在数据转发过程中，接收移动Sink转发的数据，以及汇聚节点通过上层网络多跳上报的突发事件信息，然后向岸基监控中心通过有线连接方式实时转发接收的数据；网关节点在网络远程控制中，接收岸基控制中心发送的远程控制命令，并多跳转发给所有汇聚节点进行存储，当移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将立即接收到汇聚节点转发的该命令；
5)移动Sink路径变更及网络维护：当移动Sink接收到最近的汇聚节点转发的远程控制命令时，将根据命令变更其移动路径，即优先移动到指定区域进行重点监测，或者更换某个汇聚节点，再按照原移动路径从该区域继续向下一个汇聚节点移动，以便持续维护网络环境的稳定。
进一步的，所述步骤1)的汇聚节点首先根据传感器节点实际分布的密度，和网络中各区域的信息监测重要性程度值，布放第1个汇聚节点；然后根据适合布放的汇聚节点数量和用于汇聚节点选择的适应度函数，来依次计算其它各个汇聚节点布放的最优位置，得到最优的汇聚节点组成的集合信息。
其中，所述的步骤1)中，网络中的汇聚节点数量采用如下公式计算：
Num(vRN)＝Num(V)/Dens(vRN)。
其中，vRN是汇聚节点，是网络中第i个汇聚节点，V代表网络所有节点，Dens(vRN)是汇聚节点密度值，即数量为Dens(vRN)的传感器节点中包含1个汇聚节点。
所述步骤1)中，用于求解第i个汇聚节点最优位置的适应度函数包含4个因素，分别是汇聚节点距离比率汇聚节点信息值比率汇聚节点能量比率和汇聚节点邻居节点数比率这四个因素均归一化，并通过适应度函数公式计算可以得到汇聚节点的适应度值适应度函数的公式如下：
其中，是网络中第i个汇聚节点，是该汇聚节点距离比率，是该汇聚节点信息值比率，是该汇聚节点能量比率，是该汇聚节点邻居节点数比率。
其中，所述的汇聚节点距离比率是该节点和其它现有汇聚节点集合H之间距离之和与移动Sink允许移动的最大距离D之间的比率，公式如下：
其中，即各汇聚节点距离之和不能超过移动Sink允许的最大移动距离D。
所述的汇聚节点信息值比率是指该节点待放置区域的信息监测重要性程度值与网络总的信息程度值Val(V)比率，公式如下：
所述的汇聚节点能量比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点剩余能量与它们初始能量之间的比率，公式如下：
所述的汇聚节点邻居节点数比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点数目与网络的所有传感器节点数目之间的比率，公式如下：
进一步的，所述的步骤1)中，求解适应度函数的网格法，是把网络平面划分为m×k的网格，将每个小网格看作一个汇聚节点，按顺序从原点依次求解各个网格所在位置的汇聚节点适应度函数值得到最大值的网格位置，即是第i个汇聚节点的最优布放位置，此时汇聚节点集合为然后i＝i+1，重复该网格法，直至i＝Num(vRN)为止，即所有汇聚节点的位置均选择完毕。
进一步的，所述步骤2)中，汇聚节点通过多跳接力的方式与网关节点组成上层网络，汇聚节点上层网络负责实时向网关节点多跳上报小量级的突发事件信息，并向下多跳转发并存储网关节点转发的远程控制命令；以汇聚节点为簇头的下层网络中，传感器节点将采集的小量级数据通过水声通信多跳上传给汇聚节点进行存储。
进一步的，所述步骤4)中，网络转发数据包含4种数据类型，分别是大量级的图像、视频数据，由汇聚节点采集，通过激光通信方式转发给附近的移动Sink；小量级的远程控制命令，包括命令移动Sink前往监测区域长时间监测、更换汇聚节点的命令，由岸基监控中心产生，并由网关节点通过水声通信方式多跳转发给所有汇聚节点；小量级的突发事件信息，包括重要性高的突发事件、汇聚节点能量过低或故障报警，由汇聚节点产生，并通过水声通信方式由汇聚节点上层网络多跳上报给网关节点；小量级的温度盐度、深度震动数据，由传感器节点采集，通过水声通信方式多跳转发到汇聚节点存储。
进一步的，所述步骤4)中的网络远程控制方法，当传感器网络中某个汇聚节点产生了重要性高的突发事件信息，将通过汇聚节点上层网络上报给网关节点，网关节点转发给岸基监控中心分析评估，根据评估结果决定是否重点监测该区域，或者更换汇聚节点，然后将该命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络多跳转发给所有汇聚节点，待移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将通过该汇聚节点接收到控制命令，并根据命令立即移动到指定区域进行长时间的数据采集，或者更换汇聚节点，这样可以大大延长岸基监控中心对移动Sink的控制距离，同时持续维护网络环境的稳定。
进一步的，所述步骤4)的网络远程控制方法中，当网络中某个汇聚节点剩余能量过低或者发生故障时，其上行路径的相邻汇聚节点将通过上层网络将该突发事件上报给网关节点，网关节点转发给岸基监控中心分析评估，根据评估结果决定是否更换该汇聚节点，然后将远程控制命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络转发给所有汇聚节点，待移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将通过该汇聚节点接收到控制命令，并根据命令立即移动到指定汇聚节点处将其更换为新的汇聚节点，这样可以保证网络数据传输的持续性，保持网络通信环境的高鲁棒性。
与现有技术相比，本发明优点在于：
(1)本发明设计的水下双层网络结构，可以减少各个传感器节点多跳传输路径的距离，由性能更高的汇聚节点来接收附近传感器节点采集的数据，从而有效降低网络能耗。
(2)本发明利用水声和光通信混合的多模式通信方式和移动Sink的移动性来传输网络监测数据，能兼顾两者优点，如移动节点的激光通信方式获取视频图像等大量级数据，水声通信方式获取小量级数据及命令，可以有效解决水下通信速率和距离矛盾的瓶颈问题，实现大数据量的数据传输和高速率数据传输。
(3)本发明大部分传感器节点只采集温度盐度等小量级数据，仅少数汇聚节点分布在重点区域采集视频图像等大量级数据，有利于节省网络能耗的同时增大网络覆盖范围。
(4)本发明通过对影响汇聚节点布放的多种因素进行全面考虑，通过融合这些因素的适应度函数和网格法选择出汇聚节点的最优布放位置，有效兼顾了重点监测区域优先布放、平衡网络各节点能耗、缩短移动Sink的移动路径等多种问题的解决。
(5)本发明的移动Sink可以实时在网络任意位置得到控制命令，更改移动路径来更换汇聚节点或进行重点区域监测，有效实现对网络的快速维护和动态监测。
(6)本发明的岸基监控中心对移动Sink的控制，可以通过汇聚节点组成的上层网络多跳转发命令来实现，避免了移动Sink航行到岸基监控中心的通信范围外时无法联系的问题。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的水下异构传感器网络的双层网络拓扑结构示意图；
图2为本发明一个实施例中的各节点数据转发方向和节点状态转移示意图
图3为本发明一个实施例中的移动Sink路径规划示意图；
图4为本发明一个实施例中的1号汇聚节点选择示意图；
图5为本发明一个实施例中的2号汇聚节点选择及网格法示意图；
图6为本发明一个实施例中的3号汇聚节点选择示意图；
图7为本发明一个实施例中的4号汇聚节点选择示意图；
图8为本发明一个实施例中的5号汇聚节点选择示意图；
图9为本发明一个实施例中的Sink路径规划方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
根据本发明的一个实施例，提供了一种水下异构传感器网络系统，该异构传感器网络系统是异构布放的水下数据采集网络，包括双层拓扑结构的水下传感器节点和汇聚节点、移动Sink节点和网关节点。
传感器节点密集布放在海底，资源受限，存储空间小，适合将待采集的小量级海底观测数据(如温度盐度深度震动等)转换为数字信号，并由水声信道传递给上层汇聚节点，通信距离小，价格便宜。传感器节点由主控单片机以及与其相连接的水声发射接收模块、温度、盐度、环境光、震动传感器、三轴加速度计、内波测量仪、深度计、小容量存储模块、可充电电池及按键等部分组成。
汇聚节点稀疏布放在海底，由资源丰富的节点构成，存储空间大，适合采集图像和视频等大量级数据，同时具有较强的数据处理能力，能够将普通的传感器节点发来的小量级数据进行融合并存储，同时存储自身采集的大量级数据，并以激光通信方式上传给移动Sink，通信距离远，价格昂贵。汇聚节点由主控单片机以及与其相连接的水下摄像模块、拍照模块、水声发射接收模块、激光发射接收设备、温度盐度传感器、内波测量仪、环境噪声记录仪、三轴加速度计、深度计、大容量存储模块、大容量可充电电池、LED灯及按键等部分组成。
移动Sink存储空间大，通信距离近，移动速度快。移动Sink适合充当移动中继站的角色，近距离采集汇聚节点上传的大量级数据，存储并转发给网关节点，同时可以用来更换汇聚节点，由主控单片机以及与其相连接的水声发射接收模块、激光发射接收设备、陀螺仪、深度计、多普勒计程仪、惯性导航系统、三轴加速度计、机械臂、推进电机、水下定位模块、大容量存储模块、大空间存储仓、大容量可充电电池、LED灯及按键等部分组成。
网关节点由主控单片机以及与其相连接的水声发射接收模块、激光发射接收模块、三轴加速度计、深度计、大容量存储模块、大容量可充电电池、LED灯及按键等部分组成，同时通过光缆传输线和电缆电源线连接岸基监控中心，以便岸基监控中心与其相互传输数据并供电。其负责通过光通信方式接收移动Sink转发的大量级数据，及通过水声通信方式接收汇聚节点多跳上报的小量级突发事件信息，并通过有线方式实时转发给岸基监控中心，同时接收岸基监控中心发送的远程控制命令，并通过水声通信方式向汇聚节点转发该命令。
该网络基于以下条件：1)该网络的传感器节点、汇聚节点和网关节点以2维平面形式分布在海底，不涉及3维组网问题。2)传感器节点、汇聚节点和网关节点是静态的，而移动Sink持续以固定速度在水下移动。3)数据每隔时间间隔T从各个传感器节点传输到簇头汇聚节点。
下面结合附图1-8分七个章节详细介绍本实施例的水下异构传感器网络的各个方面，分别是：网络拓扑结构、网络通信方式、数据转发类型、数据转发方式、汇聚节点选择方法、移动Sink的路径规划及变更方法、网络远程控制方法等。
一、网络拓扑结构
如图1所示，本实施例采用了双层的异构网络结构，包括大量的静态传感器节点、5个汇聚节点、1个网关节点，其中汇聚节点和网关节点构成上层网络结构，节点之间形成树形多跳网络，以网关节点为树根，1号汇聚节点是1级，5、4号汇聚节点是2级，2、3号汇聚节点是3级，网关节点向汇聚节点的链路方向为下行路径，汇聚节点向网关节点链路方向为上行路径。网关节点通过下行路径发送远程控制命令，各汇聚节点通过上行路径发送突发事件信息。
汇聚节点与其簇内各传感器节点组成下层网络。如图1所示，2号汇聚节点作为簇头节点，多个传感器节点作为簇内节点，通过多跳路由将采集的小量级数据上传给2号汇聚节点进行存储。
二、网络通信方式
网络通信方式包括用于小量级数据传输(温度、盐度等数据、突发事件信息、及远程控制命令)的水声通信，和用于大量级数据传输(视频图像等数据)的激光通信。如图2所示，传感器节点之间通过多跳的水声通信方式将小量级数据上传到汇聚节点，汇聚节点通过水声通信方式接收并存储小量级数据。移动Sink在移动到汇聚节点附近的位置时，以高速率的激光通信方式接收汇聚节点存储的数据，在依次遍历所有汇聚节点并接收完数据后，移动Sink移动到网关节点，通过激光通信方式将存储数据上传给网关节点。当监测到突发事件时，汇聚节点之间多跳通过水声通信方式向网关节点上报突发事件信息。当网关节点需要向移动Sink转发远程控制命令时，通过水声通信方式向1到5号汇聚节点多跳转发该命令。如图3所示，移动Sink此时正好移动到5号汇聚节点附近，将通过水声通信方式接收5号汇聚节点上报的该命令。
三、数据转发类型
该网络中需要转发的数据包括4种类型，分别是：
大量级的图像、视频等数据，由汇聚节点采集，通过激光通信方式转发给附近的移动Sink；
小量级的远程控制命令，包括命令移动Sink前往监测区域长时间监测、更换汇聚节点等，由岸基监控中心产生，并由网关节点通过水声通信方式多跳广播给所有汇聚节点；
小量级的突发事件信息，包括重要性高的突发事件、汇聚节点能量过低或故障报警等，由汇聚节点产生，并通过水声通信方式由汇聚节点上层网络多跳上报给网关节点；
小量级的温度、盐度、深度、震动等数据，由传感器节点采集，通过水声通信方式多跳上传到汇聚节点进行存储。
四、数据转发方式
汇聚节点通过多跳接力的方式与网关节点组成上层网络，从而实现广阔区域的覆盖，如图2所示。汇聚节点上层网络负责向网关节点多跳上传小量级的突发事件信息，同时接力传输网关节点广播的远程控制命令。传感器节点形成下层网络，以附近的汇聚节点为簇头，通过多跳方式将小量级的温度盐度等数据接力上传给汇聚节点。
如图3所示，移动Sink在水下网络中以规定速度，按照规定的路线箭头进行移动，在依次移动到各个汇聚节点通信范围内时接收汇聚节点上传的存储数据，直至采集完4号汇聚节点存储的数据后，再移动到网关节点将采集的数据上传，然后开始下一轮的循环移动，每轮移动顺序是1号->5号->2号->3号->4号->网关节点。
五、汇聚节点选择方法
在双层异构传感网中，汇聚节点布放的位置需要综合网络密度、信息度、邻居节点数和节点剩余能量等多个因素来计算得到，然后依次布放在合适的位置与传感器节点组成两层网络拓扑结构。汇聚节点布放方法的步骤如下所示：
1)根据网络中传感器节点实际分布的密度，和网络中各区域的信息监测重要性程度值，布放1号汇聚节点，如图4所示。
2)根据适合布放的汇聚节点数量和汇聚节点选择的适应度函数，来依次计算其它汇聚节点布放的最优位置，得到最优的汇聚节点组成的集合信息。
其中，网络中汇聚节点的数量采用如下公式计算：
Num(vRN)＝Num(V)/Dens(vRN)。
其中，vRN是汇聚节点，是网络中第i个汇聚节点，V代表网络所有节点集合，Dens(vRN)是汇聚节点密度值，即数量为Dens(vRN)的传感器节点中包含1个汇聚节点。移动Sink根据汇聚节点数量来布放汇聚节点，本实施例的汇聚节点数为5个。
计算汇聚节点选择的适应度函数时，用于求解第i个汇聚节点最优位置的适应度函数包含4个因素，分别是汇聚节点距离比率汇聚节点信息值比率汇聚节点能量比率和汇聚节点邻居节点数比率这四个因素均归一化，并通过适应度函数公式计算可以得到汇聚节点的适应度值
其中，汇聚节点距离比率是该节点和其它现有汇聚节点集合H之间距离之和与移动Sink需要移动的最大距离D之间的比率，公式如下：
其中，即各汇聚节点距离之和不能超过移动Sink允许的最大移动距离D。
其中，汇聚节点信息值比率是指该节点待放置区域的信息监测重要性程度值与该网络总的程度值Val(V)比率，公式如下：
其中，汇聚节点能量比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点剩余能量与它们初始能量之间的比率，公式如下：
其中，汇聚节点的邻居节点数比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点数目与该网络总的节点数目之间的比率，公式如下：
根据以上因素，可以得到用于汇聚节点选择的适应度函数公式如下：
3)求解该适应度函数采用网格法，首先把网络平面划分为20×20的网格，如图5所示，将每个小网格看作一个汇聚节点，1号汇聚节点所在位置为[2,6]，按顺序从原点[0,0]先行后列依次求解各个网格所在位置的汇聚节点适应度函数值得到最大值的网格位置，即是第2个汇聚节点的最优布放位置，如图5所示的2号节点位置[16,5]，此时现有汇聚节点集合为1,2号节点集合。再通过上述网格法求解，得到第三个汇聚节点的最优位置，如图6所示的3号节点，此时汇聚节点集合为1,2,3号节点集合。随后依次得到第四个和第五个汇聚节点的最优位置，如图7所示的4号节点，及如图8所示的5号节点，此时汇聚节点的最终集合为1,2,3,4,5号节点集合，汇聚节点位置选择过程完成。
4)移动Sink根据以上最优汇聚节点集合的位置信息，依次移动到各汇聚节点待布放位置，来布放汇聚节点，布放完成后即按照规划的最短移动路径，开始遍历各汇聚节点并接收汇聚节点转发的数据。
六、网络远程控制方法
如图3所示，当3号汇聚节点监测到附近重要性高的突发事件，即该区域的信息监测重要性程度值高于一定阈值，则通过上层网络的3号->4号->1号->网关节点的多跳路由将该信息上报给网关节点，网关节点再转发给岸基监控中心进行分析评估，根据评估结果决定是否控制移动Sink重点监测该区域，并产生远程控制命令。然后岸基监控中心将该命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络多跳转发给1到5号汇聚节点，待移动Sink靠近任一个汇聚节点时(图3中正在5号汇聚节点附近)，将通过该汇聚节点接收远程控制命令。然后移动Sink根据命令更改移动路径，立即移动到3号汇聚节点附近区域，进行长时间的数据采集和监测。这种由汇聚节点组成的上层网络多跳转发命令的方法，可以大大扩展岸基监控中心对移动Sink的控制距离。
当3号汇聚节点剩余能量过低或者发生故障时，其上行路径相邻汇聚节点将监测到该信息，通过上层网络的4号->1号->网关节点的多跳路由上报给网关节点，网关节点转发给岸基监控中心分析评估，根据评估结果决定是否控制移动Sink更换3号汇聚节点，并产生远程控制命令。然后岸基监控中心将该命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络多跳转发给1到5号汇聚节点，待移动Sink靠近任何一个汇聚节点时(图3中正在5号汇聚节点附近)，将通过该汇聚节点接收到远程控制命令。然后移动Sink根据命令更改移动路径，立即移动到3号汇聚节点处，将3号更换为新的汇聚节点，新汇聚节点将替代原3号节点的所有功能，重新组成上层及下层网络，从而保证网络中数据采集和传输的持续性，保持网络通信环境的高鲁棒性。
七、移动Sink的路径规划及变更方法
如图3所示，移动Sink根据1到5号汇聚节点的位置信息，采用经典旅行商算法规划得到遍历所有汇聚节点的最短移动路径，即1号->5号->2号->3号->4号->网关节点，然后按照该路径依次移动到每个汇聚节点附近停留，通过激光通信方式接收汇聚节点转发的存储数据，直至遍历所有汇聚节点后，再移动到网关节点附近，通过激光通信方式将存储数据转发给网关节点。
当移动Sink收到5号汇聚节点上报的远程控制命令时，将根据指示变更其移动路径，即优先移动到3号节点附近区域进行重点监测，或者更换3号汇聚节点，完成任务后再按照原先规划的移动路径从3号汇聚节点位置继续向4号汇聚节点移动，以便持续维护网络环境稳定。
如图9所示，本实施例的Sink路径规划方法完整流程是，首先按照前述的章节五的汇聚节点选择方法，选择网络中所有汇聚节点的最优位置；再按照前述的章节一的网络拓扑结构，建立双层网络拓扑结构；再按照前述的章节六的移动Sink路径规划方法，进行移动Sink的最短路径规划和移动遍历网络各汇聚节点；再按照前述的章节四的数据转发方式，及前述的章节七的远程控制方法，来完成采集数据的存储、转发及岸基监控中心对移动Sink的远程控制；最后按照章节六的移动Sink路径变更方法，根据命令进行移动Sink路径的变更，实现网络的维护工作。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述的水下异构传感器网络包括密集布放在海底的水下传感器节点、稀疏布放在海底的汇聚节点、移动Sink节点和网关节点；所述的移动Sink路径规划方法包括：
1)汇聚节点位置选择：根据汇聚节点数量和汇聚节点选择的适应度函数，采用网格法来依次计算汇聚节点布放的最优位置，得到最优的汇聚节点集合的信息；移动Sink根据该信息，依次移动到相应位置来布放各汇聚节点；
2)网络拓扑结构构建：各个汇聚节点与周围传感器节点组网形成双层的簇结构，汇聚节点与其簇内各传感器节点组成下层网络结构，簇内传感器节点通过多跳接力的方式将采集的数据上传到汇聚节点进行存储；汇聚节点和网关节点构成上层网络结构，网关节点向汇聚节点的链路方向为下行路径，汇聚节点向网关节点链路方向为上行路径；
3)移动Sink路径规划及移动遍历：移动Sink根据所有汇聚节点的位置信息，采用经典旅行商算法规划得到遍历所有汇聚节点的最短移动路径，然后按照该路径依次移动到每个汇聚节点附近，通过激光通信方式接收汇聚节点上传的存储数据，最后移动到网关节点附近，通过激光通信方式将采集数据上传；然后循环进行下一轮移动遍历；
4)网络数据转发及远程控制：网关节点在数据转发过程中，接收移动Sink转发的数据，以及汇聚节点通过上层网络多跳上报的突发事件信息，然后向岸基监控中心通过有线连接方式实时转发接收的数据；网关节点在网络远程控制中，接收岸基控制中心发送的远程控制命令，并多跳转发给所有汇聚节点进行存储，当移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将立即接收到汇聚节点转发的该命令；
5)移动Sink路径变更及网络维护：当移动Sink接收到最近的汇聚节点转发的远程控制命令时，将根据命令变更其移动路径，即优先移动到指定区域进行重点监测，或者更换某个汇聚节点，再按照原移动路径从该区域继续向下一个汇聚节点移动。
2.根据权利要求1所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述步骤1)的汇聚节点首先根据传感器节点实际分布的密度，和网络中各区域的信息监测重要性程度值，布放第1个汇聚节点；然后根据适合布放的汇聚节点数量和用于汇聚节点选择的适应度函数，来依次计算其它各个汇聚节点布放的最优位置，得到最优的汇聚节点组成的集合信息。
3.根据权利要求1所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述的步骤1)中，网络中的汇聚节点数量采用如下公式计算：
Num(vRN)＝Num(V)/Dens(vRN)
其中，vRN是汇聚节点，是网络中第i个汇聚节点，V代表网络所有节点，Dens(vRN)是汇聚节点密度值，即数量为Dens(vRN)的传感器节点中包含1个汇聚节点；
用于汇聚节点选择的适应度函数的公式如下：
其中，是网络中第i个汇聚节点，是该汇聚节点距离比率，是该汇聚节点信息值比率，是该汇聚节点能量比率，是该汇聚节点邻居节点数比率。
4.根据权利要求3所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述的汇聚节点距离比率是该节点和其它现有汇聚节点集合H之间距离之和与移动Sink允许移动的最大距离D之间的比率，公式如下：
其中，即各汇聚节点距离之和不能超过移动Sink允许的最大移动距离D；
所述的汇聚节点信息值比率是指该节点待放置区域的信息监测重要性程度值与网络总的信息程度值Val(V)比率，公式如下：
所述的汇聚节点能量比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点剩余能量与它们初始能量Ini之间的比率，公式如下：
所述的汇聚节点邻居节点数比率是指该节点的一跳通信范围内的传感器节点数目与网络的所有传感器节点数目Num(V)之间的比率，公式如下：
。
5.根据权利要求3所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述的步骤1)中，求解适应度函数的网格法，是把网络平面划分为m×k的网格，将每个小网格看作一个汇聚节点，按顺序从原点依次求解各个网格所在位置的汇聚节点适应度函数值得到最大值的网格位置，即是第i个汇聚节点的最优布放位置，此时汇聚节点集合为然后i＝i+1，重复该网格法，直至i＝Num(vRN)为止，即所有汇聚节点的位置均选择完毕。
6.根据权利要求1所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述步骤2)中，汇聚节点通过多跳接力的方式与网关节点组成上层网络，汇聚节点上层网络负责实时向网关节点多跳上报小量级的突发事件信息，并向下多跳转发并存储网关节点转发的远程控制命令；以汇聚节点为簇头的下层网络中，传感器节点将采集的小量级数据通过水声通信多跳上传给汇聚节点进行存储。
7.根据权利要求1所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述步骤4)中，网络转发数据包含4种数据类型，分别是大量级的图像、视频数据，由汇聚节点采集，通过激光通信方式转发给附近的移动Sink；小量级的远程控制命令，包括命令移动Sink前往监测区域长时间监测、更换汇聚节点的命令，由岸基监控中心产生，并由网关节点通过水声通信方式多跳转发给所有汇聚节点；小量级的突发事件信息，包括重要性高的突发事件、汇聚节点能量过低或故障报警，由汇聚节点产生，并通过水声通信方式由汇聚节点上层网络多跳上报给网关节点；小量级的温度盐度、深度震动数据，由传感器节点采集，通过水声通信方式多跳转发到汇聚节点存储。
8.根据权利要求1或7所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述步骤4)中的网络远程控制方法，当传感器网络中某个汇聚节点产生了重要性高的突发事件信息，将通过汇聚节点上层网络上报给网关节点，网关节点转发给岸基监控中心分析评估，根据评估结果决定是否重点监测该区域，或者更换汇聚节点，然后将该命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络多跳转发给所有汇聚节点，待移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将通过该汇聚节点接收到控制命令，并根据命令立即移动到指定区域进行长时间的数据采集，或者更换汇聚节点。
9.根据权利要求1或7所述的用于水下异构传感器网络的移动Sink路径规划方法，其特征在于：所述步骤4)的网络远程控制方法中，当网络中某个汇聚节点剩余能量过低或者发生故障时，其上行路径的相邻汇聚节点将通过上层网络将该突发事件上报给网关节点，网关节点转发给岸基监控中心分析评估，根据评估结果决定是否更换该汇聚节点，然后将远程控制命令发送给网关节点，网关节点通过上层网络转发给所有汇聚节点，待移动Sink靠近任何一个汇聚节点时，将通过该汇聚节点接收到控制命令，并根据命令立即移动到指定汇聚节点处将其更换为新的汇聚节点。
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