CN108011981A - 水下传感器网络中基于多auv的高可用数据收集方法 - Google Patents

水下传感器网络中基于多auv的高可用数据收集方法 Download PDF

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龙霄汉
李小葱
高亮
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了一种水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，构建水下传感器网络模型，多个自主式水下航行器AUV按照预先定义的螺旋轨迹在网络中巡游进行数据收集，定期调整巡游轨迹；节点根据自己的位置以及自主式水下航行器AUV的轨迹计算自己是否在任意一个或者多个自主式水下航行器AUV的收集区域内。收集区域内的节点等待自主式水下航行器AUV到达本节点附近后进行通信，上传数据；收集区域外的节点通过多跳将数据转发到收集区域内的节点中。当自主式水下航行器AUV发生故障时，发现故障的网关节点广播一个控制包并进行故障处理。本发明降低节点的能耗和通信开销，同时保证了网络的高可用。

Description

水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法
技术领域
本发明涉及一种水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，属于无线传感器网络数据采集技术领域。
背景技术
随着通信技术与硬件制造技术的发展，水下传感器网络(UWSN, UnderwaterWireless Sensor Networks)已经在海洋数据采集、污染监测、海洋勘探、灾难预警、辅助导航、战场监视和矿产探测等方面被广泛使用。水下传感器网络一般指由水下传感器节点、水下仪器、水上节点、水上控制中心等组成的多跳网络。水下传感器节点通过单跳或者多跳的方式将数据转发到水上节点或者某些水下仪器，由水上节点或者水下仪器将数据发送到水上控制中心进行处理和分析，因此数据采集是水下传感器网络的基本应用之一。传感器节点可以对监测区域内的各种数据进行采集，这些数据包括溶解氧、声音、图像、视频等，诸如图像，视频等大数据量的采集给数据采集方案的设计带来了一定的挑战。同时，由于水下信道低数据传输速率，高传播时延，高能量消耗的特性，陆地上已经发展成熟的路由协议、数据收集算法均不适用于水下传感器网络。因此，如何在采集大量兴趣数据的同时，实现网络的能量消耗均衡、能量高效，延长网络使用寿命，实现网络的高可用成为一个极具挑战的难题。
目前，学者们在使用自主式水下航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle，水下仪器的一种)进行水下数据收集的相关研究也取得了一定的进展。 Seokhoon Yoon等人在2012年的《Sensors》上发表的文章“An自主式水下航行器AUV-Aided UnderwaterRouting Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks”中提出了一种水下传感器网络中使用自主式水下航行器AUV辅助的路由协议。协议将网络中的节点分为网关节点和普通节点。自主式水下航行器 AUV从网关节点处收集数据，普通节点的数据则发送到网关节点。考虑通信效率与通信距离以及数据包大小的关系，该协议使用长距离低速率通信用于控制包通信。通过控制包通信选择网关节点。使用中距离通信用于节点之间的数据转发。由于自主式水下航行器AUV可以移动到汇聚节点sink附近，且由自主式水下航行器AUV发送到汇聚节点sink的数据量大，因此自主式水下航行器 AUV与汇聚节点sink之间使用短距离高速通信。普通节点根据邻居节点的剩余能量与距离网关节点的距离选择下一跳节点，普通节点的数据经过下一跳节点逐跳发送到网关节点。普通节点的数据到达网关节点后由网关进行数据聚合，网关节点将数据发送到自主式水下航行器AUV，由自主式水下航行器AUV将数据交付到汇聚节点sink。这种方法有效地减小了节点的能量消耗，但是自主式水下航行器AUV巡游距离过长导致网络的时延过大。同时，单自主式水下航行器AUV的收集模式导致自主式水下航行器AUV故障时网络瘫痪，造成数据丢失。
Yuh-Shyan Chen等人在2013年的《IEEE SENSORS JOURNAL》上发表的文章“Mobicast Routing Protocol for Underwater Sensor Networks”中提出了一种使用自主式水下航行器AUV进行数据收集的地理位置路由协议。自主式水下航行器AUV按照某个轨迹巡游整个网络进行数据收集。在自主式水下航行器 AUV到达节点附近前，节点只采集环境中的数据；当自主式水下航行器AUV 到达某个区域后，本区域内所有节点的数据都发送到自主式水下航行器AUV，同时本区域中的节点将唤醒下个区域内的节点。该协议可以有效地降低节点能耗，但是自主式水下航行器AUV巡游全网会导致网络的时延较长。另外，节点在自主式水下航行器AUV到达前缓存采集的数据，这样可能出现由于缓存区溢出导致的数据丢失问题。同时，自主式水下航行器AUV故障会导致网络不能运行。
Nadeem Javaid等人在2015年的《Sensors》上发表的文章“An Efficient Data-Gathering Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks”中提出了一种使用自主式水下航行器AUV辅助的路由协议。该协议同样将节点分为网关节点与普通节点，自主式水下航行器AUV按照预先定义的圆形轨迹在网络的中部巡游，自主式水下航行器AUV边移动边广播hello包，接收到hello包的节点计算自己与自主式水下航行器AUV的RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)，具有最大RSSI的节点(即离自主式水下航行器AUV最近的节点)成为网关节点。然后网关节点广播hello包，其他节点根据自己与网关节点的RSSI构建数据传输树。普通节点采集的数据被发送到网关节点，网关节点采集和收集到的数据直接发送到自主式水下航行器AUV。这种方式可以降低网络的能量消耗，但是自主式水下航行器AUV的固定轨迹会造成热区问题，单个自主式水下航行器AUV出现故障会导致网络瘫痪。
JawaadUllah Khan等人在2015年的《Sensors》上发表的文章“A DistributedData-Gathering Protocol Using自主式水下航行器AUV in Underwater SensorNetworks”中提出了一种使用自主式水下航行器AUV辅助的分布式数据收集协议。该协议针对水下锚定网络，节点被锚定海床上，节点所处的深度是一致的，自主式水下航行器AUV在比节点层浅的某个深度上巡游。首先使用泰森多边形法将网络分割为多个簇，每个簇内选举一个节点成为簇头，簇头将本簇分为多个次级簇，簇头在每个次级簇中选择一个节点作为路径节点，普通节点的数据会发送给路径节点。自主式水下航行器AUV先与簇头通信，获得路径节点的信息，然后遍历路径节点收集数据。这种方式均衡了网络间的能量消耗，但是扩展性差。同时网络的数据收集完全依赖自主式水下航行器AUV，自主式水下航行器AUV故障时网络将彻底瘫痪。
Mariam Akbar等人在2016年的《Sensors》上发表的文章“Efficient DataGathering in 3D Linear Underwater Wireless Sensor Networks Using汇聚节点sinkmobility”提出了一种水下传感器网络中使用自主式水下航行器AUV进行数据收集的方法。该方法将网络分成4个长方体，自主式水下航行器AUV在一个长方体中进行数据收集，该长方体内的节点将数据发送给自主式水下航行器 AUV。另外三个长方体中各有一个通讯节点(CN)，区域内传感器节点将采集的数据发送到本区域内的CN，CN将数据发送给自主式水下航行器AUV。本方法降低了节点的能量消耗，但是节点与自主式水下航行器AUV的通信范围都是有限的，因此本方法不适用大规模的网络。同时，在自主式水下航行器 AUV出现故障时网络无法运行。
综上，目前水下传感器网络中数据收集方法普遍存在的问题是：
1.使用单AUV的模式，在自主式水下航行器AUV出现故障时没有补救措施，节点数据无法及时送达汇聚节点sink，网络瘫痪。
2.网关节点的选取需要节点与自主式水下航行器AUV进行控制包的交换，带来了较大的通信开销。
3.自主式水下航行器AUV轨迹固定使得轨迹附近节点能量消耗较快，易形成热区问题，影响网络的性能。
4.自主式水下航行器AUV巡游路径过长，网络的端到端时延较大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，让多个自主式水下航行器AUV按照预定的轨迹在网络中运行，节点可以通过预测自主式水下航行器AUV的位置计算自己是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内，根据这个信息节点选择合适的数据转发方式，从而减小并均衡网络的能量消耗，延长网络的生存时间，提高网络的性能。另外，在单个自主式水下航行器AUV出现故障时，其他自主式水下航行器 AUV继续承担数据收集工作，保证了网络的高可用性。
本发明采用如下技术方案，水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，包括以下步骤：
1)构建水下传感器网络模型，水下传感器网络模型是一个LWH三维区域，网络中包括一个汇聚节点sink、多个自主式水下航行器AUV以及多个传感器节点，汇聚节点sink位于区域表层的中心位置，自主式水下航行器AUV按照预定的螺旋轨迹在网络中运行，自主式水下航行器AUV的运动可以看作一个围绕固定圆柱体侧面螺旋上升和下降的运动，在网络的三维区域内以汇聚节点 sink为原点、x轴正方向水平向右、z轴正方向垂直向下建立三维柱坐标系，传感器节点需要预测AUV的轨迹，网络中传感器节点与自主式水下航行器AUV 时间同步，即传感器节点与自主式水下航行器AUV的时钟保持一致，由于 AUV的移动速度较慢，因此不需要严格的完全时间同步，即节点与AUV的时钟有轻微的偏差对数据收集的影响是可以忽略不计的，其理论证明请参见参考文献[LPTA:Location Predictive and TimeAdaptive Data Gathering Scheme with Mobile Sink for Wireless Sensor Networks,Scientific World Journal,Volume 2014.]，传感器节点中保存网络参数，根据定位算法得到自己的位置坐标，根据自主式水下航行器AUV的移动参数计算自主式水下航行器AUV的运动轨迹；
2)进行网络初始化，将自主式水下航行器AUV的移动参数进行全网通知，计算传感器节点类型，选择数据转发策略，传感器节点构建自己的邻居表，用于数据转发；
3)进行数据转发，数据转发阶段的作用是源节点根据自己的类型选择合适的数据转发策略将数据发送到汇聚节点sink或者自主式水下航行器AUV；
4)调整自主式水下航行器AUV轨迹，在一次沉浮周期结束，自主式水下航行器AUV上浮到水面后，所有自主式水下航行器AUV移动一个固定的相位(即角度)，当前时间归0，传感器节点计算下一个沉浮周期所有自主式水下航行器 AUV的预定轨迹，本阶段的作用是在一次沉浮周期后调整AUV的轨迹，避免热区问题，热区问题指因AUV轨迹固定造成一个节点多次成为网关节点，该节点因能量消耗过多而过早死亡的问题；
5)轨迹调整完成后，传感器节点再次执行节点类型计算过程，构建传感器节点邻居表，然后转至步骤3)；
6)网关节点与自主式水下航行器AUV通信失败后进行重传，若重传超过设定次数通信仍然失败，则认为该自主式水下航行器AUV发生故障，重新计算自己的传感器节点类型并根据节点类型转发数据，将发生故障的自主式水下航行器AUV标记为不可用，然后广播自主式水下航行器AUV故障控制包并设置定时器，接收到故障控制包的传感器节点执行与网关节点相同的操作，即判断自己的节点类型、标记不可用自主式水下航行器AUV以及广播自主式水下航行器AUV故障控制包并设置定时器，所有节点在数据传输计算时不再考虑不可用的自主式水下航行器AUV，定时器到期后，将故障自主式水下航行器AUV 标记为可用，网络恢复，将修复的AUV重新加入网络，该阶段的作用是发现 AUV故障并进行处理。
优选地，网络参数包括：网络的长度L、宽度W、高度H、自主式水下航行器AUV的个数N、节点通信半径R、安全时间tsafe，修复自主式水下航行器AUV所需要的时间Trepair。
优选地，网络初始化的具体过程为：
31)广播汇聚节点sink控制包：汇聚节点sink以节点通信半径R广播一个汇聚节点sink控制包，该步骤的作用是开启网络初始化过程；
32)广播节点控制包：传感器节点在接收到汇聚节点sink控制包或节点控制包后以通信半径R广播一个节点控制包，使传感器节点获取自主式水下航行器 AUV的移动参数和邻居节点信息；
33)计算节点类型：直接接收到汇聚节点sink控制包的传感器节点将自己标记为直接送达节点，其他传感器节点在收到自主式水下航行器AUV的移动参数之后计算自己在当前沉浮周期内是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内，在自主式水下航行器AUV收集区域内的节点称为网关节点，不在自主式水下航行器AUV收集区域内的节点为普通节点，该步骤的作用是使节点知道自己的类型；
34)构建节点邻居表：所有节点根据接收到的节点控制包构建邻居表，即节点收到邻居节点广播的节点控制包后，将邻居节点ID、邻居节点坐标记录在邻居表中，该步骤的作用是得到邻居表。
优选地，汇聚节点sink控制包的内容包括汇聚节点sink的ID和自主式水下航行器AUV的移动参数，节点控制包的内容包括自主式水下航行器AUV的移动参数、节点ID和节点坐标。
优选地，自主式水下航行器AUV的移动参数包括：自主式水下航行器 AUV圆周运动的角速度ω，自主式水下航行器AUV圆周运动的径长ρ，自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度vh、自主式水下航行器AUV轨迹调整的相位和初始相位网络中ID为k的自主式水下航行器AUV的初始相位为参数选择时保证其中n为正整数，使自主式水下航行器AUV一个周期结束后回到初始点，H为网络高度，N为自主式水下航行器AUV的个数。
优选地，一个沉浮周期表示自主式水下航行器AUV一次下潜和一次上浮回到出发点，自主式水下航行器AUV的收集区域为与自主式水下航行器AUV 距离小于等于安全距离的区域，传感器节点与自主式水下航行器AUV通信安全时间的时长以保证数据发送完成，传感器节点计算自己在当前沉浮周期内是否在任意自主式水下航行器AUV的收集区域内的方法具体为：
61)计算当前沉浮周期自主式水下航行器AUV的坐标，ID为k的自主式水下航行器AUV在当前沉浮周期中的坐标为ω为自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度，ρ为自主式水下航行器AUV圆周运动的径长，t表示当前时间，的值为当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
z坐标的值Z的计算方法为：利用判断当前自主式水下航行器AUV 是上浮还是下潜，T表示自主式水下航行器AUV从网络表层移动到底层的时间，H为网络高度，vh为自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度，％表示求余数，[x]表示不超过x的最大整数，如果为上浮，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为2·H–t·vh；如果为下潜，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为t·vh；
62)计算安全距离d，计算式为：
其中，R为节点与自主式水下航行器AUV的通信半径，tsafe为安全时间；
63)计算每个自主式水下航行器AUV与传感器节点的距离D，传感器节点坐标为(r,θ,z)，如果自主式水下航行器AUV下潜，则自主式水下航行器AUV 与传感器节点距离D的计算式为：
如果自主式水下航行器AUV上浮，则自主式水下航行器AUV与节点距离为D的计算式为：
D2对t求导后令求导结果等于0，得到自主式水下航行器AUV与传感器节点最近的时间，根据自主式水下航行器AUV与传感器节点最近的时间得到最小距离D，将最小距离D与安全距离d比较；
只要有至少一个自主式水下航行器AUV与传感器节点的最小距离D小于等于安全距离d，传感器节点就在自主式水下航行器AUV的收集区域内。
优选地，数据转发的过程为：
71)检查节点类型：当传感器节点有数据需要发送时，传感器节点先检查自己的节点类型为直接送达节点、网关节点或普通节点；
72)如果传感器节点是直接送达节点，则直接将数据转发给汇聚节点sink；如果传感器节点是网关节点，则等待任意自主式水下航行器AUV到达本节点的安全距离之内后将数据发送给自主式水下航行器AUV；如果传感器节点是普通节点，则计算最先到达本节点深度的自主式水下航行器AUV到达本节点深度时所处的位置坐标，在邻居表中选择一个距这个位置最近的传感器节点作为下一跳的邻居节点，将数据发送到邻居节点，邻居节点在收到数据后继续执行数据转发工作。
优选地，计算自主式水下航行器AUV到达节点深度时自主式水下航行器 AUV所处的位置的方法是：
假设传感器节点的深度为h，则自主式水下航行器AUV到达传感器节点深度h的时间tc为：自主式水下航行器AUV下潜时，vh为自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度，Z为传感器节点的z坐标值；自主式水下航行器AUV上浮时，H为网络高度，自主式水下航行器AUV到达节点深度时所处的位置为ω为自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度，ρ为自主式水下航行器AUV圆周运动的径长，的值为当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
优选地，选择下一跳的邻居节点的方法具体为：
91)计算所有自主式水下航行器AUV到达本节点深度的时间tc，然后计算在tc时间距离本节点最近的自主式水下航行器AUV的位置，假设距离本节点最近的自主式水下航行器AUV的ID为k0，遍历邻居表中的所有节点，计算邻居节点与ID为k0的自主式水下航行器AUV在tc时刻的距离，假设邻居节点的坐标为(rn,θn,hn)，则邻居节点与该自主式水下航行器AUV的距离Dn为：
的值为ID为k0的自主式水下航行器AUV当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
92)将邻居节点按照距离排序，选择距离Dn最小的节点作为下一跳邻居节点。
优选地，在自主式水下航行器AUV开始轨迹调整时，正在发送数据的节点继续发送数据，直至数据发送完成；接收节点暂时缓存数据，等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程；数据需要发送还没有发送的节点不启动发送过程，等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程。
优选地，网关节点发现自主式水下航行器AUV故障后将故障自主式水下航行器AUV从可用自主式水下航行器AUV标记为不可用，设置定时器，广播控制包，控制包内容包括故障自主式水下航行器AUV的ID和发现自主式水下航行器AUV故障的时间Tinvalid，单位为s，则定时器的时长为：Trepair- (Tcurrent-Tinvalid)，其中Trepair为修复自主式水下航行器AUV所需要的时间， Tcurrent为节点设置定时器的时间。
发明所达到的有益效果：本发明提供一种水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，使用多个自主式水下航行器AUV，在一个自主式水下航行器AUV发生故障时它的工作由其他自主式水下航行器AUV承担，保证了网络的高可用性；使用预定轨迹的自主式水下航行器AUV收集网络中的数据，减小了控制包的数目，减少了数据转发的跳数，降低了网络的能量消耗，延长了网络的生存时间；支持自主式水下航行器AUV巡游网络进行数据收集，降低了节点的能量消耗，自主式水下航行器AUV在巡游网络的时候不需要广播控制包，降低了通信开销。
附图说明
图1是本发明的水下传感器网络模型示意图；
图2是本发明的安全距离的计算图示；
图3是本发明的汇聚节点sink的工作流程图；
图4是本发明除汇聚节点sink与自主式水下航行器AUV以外的其他节点的工作流程图；
图5是本发明发现自主式水下航行器AUV故障的网关节点的工作流程图；
图6是本发明传感器节点接收到自主式水下航行器AUV故障控制包时的工作流程图；
图7是本发明非网关节点数据转发的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
本发明的水下传感器网络中基于多自主式水下航行器AUV的高可用数据收集方法，首先，构建水下传感器网络模型，如图1所示，网络模型是一个 L·W·H的三维区域。传感器节点需要预测自主式水下航行器AUV的轨迹，因此网络中节点与自主式水下航行器AUV必须是时间同步的，即传感器节点与自主式水下航行器AUV的时钟是一致的。由于自主式水下航行器AUV的移动速度较慢，因此不需要严格的完全时间同步，即传感器节点与自主式水下航行器AUV的时钟有轻微的偏差对数据收集的影响是可以忽略不计的，其理论证明请参见参考文献[LPTA:Location Predictive and Time Adaptive Data Gathering Schemewith Mobile汇聚节点sink for Wireless Sensor Networks,Scientific WorldJournal,Volume 2014.]。网络中包括一个汇聚节点sink、多个自主式水下航行器 AUV以及多个传感器节点，汇聚节点sink位于表层的中心位置，自主式水下航行器AUV按照预定的螺旋轨迹在网络中运行，自主式水下航行器AUV的运动可以看作一个围绕固定圆柱体侧面螺旋上升和下降的运动。传感器节点可根据定位算法得到自己的位置，节点已知网络参数。在网络的三维区域内以汇聚节点sink为原点、x轴正方向水平向右、z轴正方向垂直向下建立三维柱坐标系；自主式水下航行器AUV故障后，经过Trepair时间修复工作完成，恢复的自主式水下航行器AUV加入网络，且出现在故障自主式水下航行器AUV在该时刻的预定位置上，网络恢复，Trepair对于节点来说同样是已知的。
网络参数包括：自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度ω，自主式水下航行器AUV圆周运动的径长ρ，即自主式水下航行器AUV柱坐标的极径，自主式水下航行器AUV圆周运动的初始相位即初始时刻自主式水下航行器 AUV柱坐标的极角，自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度vh，自主式水下航行器AUV轨迹调整的相位即下一个沉浮周期的初始相位为上一个沉浮周期的初始相位加节点通信半径R，安全时间tsafe，自主式水下航行器AUV的个数N，自主式水下航行器AUV的故障修复时间Trepair。一个沉浮周期被定义为自主式水下航行器AUV一次下潜和上浮的过程回到出发点的过程。
在每一个沉浮周期结束后，节点计算下一沉浮周期ID为k的自主式水下航行器AUV的初始相位然后将当前时间归零，即每一个沉浮周期开始时，网络的时间认为是0时刻。
在本发明中只讨论一个沉浮周期的网络情况，其他沉浮周期同理。另外，需要选择合适的参数使得自主式水下航行器AUV到达底部时的相位与初始相位一致，这样可以使得自主式水下航行器AUV在一个沉浮周期以后回到初始点。根据这个约束，可以求得其中n为正整数。
本发明的数据收集方法，具体包括：网络初始化阶段，数据转发阶段，自主式水下航行器AUV轨迹调整阶段与自主式水下航行器AUV故障阶段(该阶段在任何时刻都有可能发生，由自主式水下航行器AUV发生故障这一事件触发)。
网络初始化阶段的目的是将自主式水下航行器AUV的移动参数进行全网通知，传感器节点构建邻居表，具体为：汇聚节点sink将自主式水下航行器 AUV的移动参数打包成一个汇聚节点sink控制包并以通信半径R进行广播，自主式水下航行器AUV的移动参数包括：自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度ω，自主式水下航行器AUV圆周运动的径长ρ，自主式水下航行器 AUV圆周运动的初始相位自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度vh，自主式水下航行器AUV轨迹调整的相位自主式水下航行器AUV的个数N。收到汇聚节点sink控制包的节点将自己标记为直接送达节点并广播一个包括自主式水下航行器AUV移动参数和节点坐标的节点控制包，直接送达节点的数据将直接转发给汇聚节点sink。传感器节点在收到汇聚节点sink控制包或者节点控制包之后通过自主式水下航行器AUV的移动参数计算自己在当前沉浮周期内是否在某个自主式水下航行器AUV的收集区域内，在自主式水下航行器 AUV收集区域内的传感器节点称为网关节点。在这个阶段，网络中所有传感器节点都得到了自主式水下航行器AUV的移动参数以及自己的节点类型(节点类型包括直接送达节点、网关节点和普通节点)。
传感器节点计算自己在当前沉浮周期内是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内的方法为，首先计算当前沉浮周期自主式水下航行器AUV的坐标，假设ID为k的自主式水下航行器AUV在当前沉浮周期中的坐标为 t表示当前时间，
z坐标的值Z的计算方法为：利用判断当前自主式水下航行器AUV 是上浮还是下潜，T表示自主式水下航行器AUV从网络表层移动到底层的时间，H为网络高度，vh为自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度，％表示求余数，[x]表示不超过x的最大整数，如果为上浮，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为2·H–t·vh；如果为下潜，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为t·vh；
然后，传感器节点根据当前沉浮周期自主式水下航行器AUV的坐标(坐标是关于时间t的参数方程)计算自己是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内。计算方法为：
计算安全距离d，图2为安全距离的计算图示，假设自主式水下航行器 AUV以直线运动，直线运动的速度为ω·ρ。考虑最坏的情况，即自主式水下航行器AUV与传感器节点距离小于等于通信半径R的时间正好是安全时间tsafe的情况。传感器节点与自主式水下航行器AUV距离第一次等于R和第二次等于R之间的距离就是自主式水下航行器AUV与传感器节点距离小于等于R的在安全时间内走过的距离，这个距离等于ω·ρ·tsafe。根据勾股定理，安全距离d为：
传感器节点计算自己是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内的方法是，在自主式水下航行器AUV下潜的情况下，自主式水下航行器AUV的坐标为 传感器节点的坐标已知，假设为(r,θ,z)，则自主式水下航行器AUV与节点距离为D，则由两点间的距离公式：
Ld对t求导可得：
令可以求得自主式水下航行器AUV与节点最近的时间t，根据时间t可以得到距离D，将D与安全距离比较。只要有一个自主式水下航行器 AUV与节点的距离D小于等于安全距离，节点就成为网关节点。
在自主式水下航行器AUV上浮的情况下，自主式水下航行器AUV的坐标为传感器节点的坐标已知，假设为(r,θ,z)，则自主式水下航行器AUV与传感器节点距离为D，则由两点间的距离公式：
Ld对t求导可得： 令可以求得自主式水下航行器AUV与节点最近的时间t，根据时间t可以得到距离D，将D与安全距离d比较即可。只要有一个自主式水下航行器AUV与传感器节点的距离D小于等于安全距离，传感器节点就成为网关节点。
构建邻居表的目的是为了保存邻居节点的信息，在传感器节点需要发送信息的时候根据邻居表贪婪地选择下一跳的邻居节点。在传感器节点收到节点控制包以后，将邻居节点ID、邻居节点坐标记录在邻居表中。
数据转发阶段主要是数据的转发。当传感器节点有数据需要发送时，传感器节点先检查自己是否为直接送达节点，如果是，则直接将数据转发给汇聚节点sink。如果传感器节点不是直接送达节点，则检查节点是否为网关节点。如果节点是网关节点，则等待自主式水下航行器AUV到达本节点的安全距离之内后将数据发送给自主式水下航行器AUV。如果传感器节点既不是直接送达节点，又不是网关节点，则计算自主式水下航行器AUV到达本深度时自主式水下航行器AUV所处的位置，在邻居表中选择一个距这个位置最近的节点作为下一跳邻居节点，然后将数据发送到该邻居节点。邻居节点在收到数据后按上述过程重新执行数据转发工作。
数据转发阶段，计算自主式水下航行器AUV到达本深度时所处的位置的方法是：
假设节点的深度为h，则自主式水下航行器AUV到达本深度的时间tc为： (自主式水下航行器AUV下潜时)或者(自主式水下航行器AUV 上浮时)，则自主式水下航行器AUV到达本深度时所处的位置为 h为节点的深度，；
贪婪选择下一跳邻居节点的方法是，先计算所有自主式水下航行器AUV到达本深度的时间tc,然后计算在tc时间距离本节点最近的自主式水下航行器 AUV(假设为第k0个自主式水下航行器AUV)的位置，遍历邻居表中的所有节点，计算邻居节点与第k0个自主式水下航行器AUV在tc时刻的距离，假设邻居节点的坐标为(rn,θn,hn)，则邻居节点与自主式水下航行器AUV的距离Dn为：将邻居节点按照Ln排序，选择Dn最小的节点作为下一跳邻居节点。
自主式水下航行器AUV轨迹调整阶段是在自主式水下航行器AUV完成一个沉浮周期后移动一个相位的过程。轨迹调整的目的是防止自主式水下航行器 AUV轨迹固定带来的热区问题。在上浮到水面后，自主式水下航行器AUV移动一个固定的相位。由于自主式水下航行器AUV的移动参数中包括了自主式水下航行器AUV轨迹调整的时间，因此节点根据当前时间可以计算出沉浮周期开始的时间，沉浮周期结束的时间，相位调整结束的时间。在自主式水下航行器AUV开始轨迹调整时，正在发送数据的节点继续发送数据，直到数据发送完成，接收节点暂时缓存数据，等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程。有数据需要发送还没有发送的节点不启动发送过程，而是等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程。
自主式水下航行器AUV故障阶段在任何时刻都有可能发生，这个阶段由自主式水下航行器AUV故障事件触发，由网关节点发现。当网关节点与自主式水下航行器AUV通信失败且重传三次仍然失败后，则认为该自主式水下航行器AUV出现了故障。网关节点首先将故障自主式水下航行器AUV标记为不可用，然后重新计算自己是否为网关节点并根据节点类型转发数据。广播一个控制包，并设置一个定时器，控制包内容为故障自主式水下航行器AUV的ID，发现自主式水下航行器AUV故障的时间Tinvalid。接收到该控制包的节点执行同样的操作。假设传感器节点设置定时器的时间为Tcurrent(不同节点的Tcurrent是不同的)，则定时器的时长为：Trepair-(Tcurrent-Tinvalid)。接收到控制包的节点广播控制包，标记故障自主式水下航行器AUV，设置定时器。在定时器到期后，节点将故障自主式水下航行器AUV标记为可用。
图3为汇聚节点sink的工作流程图，具体包括以下步骤：
301)广播自主式水下航行器AUV的移动参数，自主式水下航行器AUV的移动参数包括：自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度ω，自主式水下航行器AUV圆周运动的径长ρ，自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度vh，自主式水下航行器AUV轨迹调整的相位自主式水下航行器AUV的个数N；
302)接收来自自主式水下航行器AUV与直接送达节点的数据；
303)如果网络生命周期没有结束，则继续执行302)，否则结束。
图4是除汇聚节点sink与自主式水下航行器AUV以外的其他节点的工作流程图，具体包括以下步骤：
401)节点接收到自主式水下航行器AUV的移动参数后，判断是来自汇聚节点sink还是其他节点(汇聚节点sink控制包或者节点控制包)，如果是汇聚节点sink，执行402)，否则执行403)；
402)将自己标记为直接送达节点；
403)广播自主式水下航行器AUV的移动参数，节点ID，节点坐标，构建邻居表；
404)接收数据，转发数据；
405)如果节点为直接送达节点，则执行406)，否则执行407)；
406)直接将数据发送到汇聚节点sink，执行410)；
407)判断自己是否为网关节点(即节点是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内)，如果是，执行408)，否则执行409)；
408)等待自主式水下航行器AUV到达本节点的安全距离之内后将数据发送给自主式水下航行器AUV，执行410)；
409)选择最优邻居节点作为下一跳数据转发节点；
410)如果网络生命周期结束，则结束，否则执行404)。
节点在接收到数据以后，会执行405)之后的工作，直到数据到达汇聚节点 sink或者自主式水下航行器AUV。
图5是网关节点在发现自主式水下航行器AUV故障(与自主式水下航行器 AUV通信失败且重传三次仍然失败后)时的工作流程图，具体包括以下步骤：
501)节点正常工作，网关节点接收来自其他节点的数据，然后将数据发送到自主式水下航行器AUV；
502)如果节点发现自主式水下航行器AUV发生故障，执行503)，否则执行501)；
503)节点将发生故障的自主式水下航行器AUV标记为不可用；
504)节点重新计算自己是否在可用自主式水下航行器AUV的收集区域内，判断自己的类型，根据类型选择自己的数据转发策略；
505)节点设置一个定时器，定时器时长为Trepair-(Tcurrent-Tinvalid)；
506)节点广播一个自主式水下航行器AUV故障控制包，内容包括故障自主式水下航行器AUV的ID，发现自主式水下航行器AUV故障的时间；
507)节点正常工作，普通节点采集数据并转发到网关节点，网关节点收集数据并发送到自主式水下航行器AUV；
508)如果定时器到期，则执行509)，否则执行507)；
509)将故障自主式水下航行器AUV设置为可用。
图6是节点接收到自主式水下航行器AUV故障信息时的工作流程图，具体包括以下步骤：
601)节点正常工作，普通节点采集数据并转发到网关节点，网关节点收集数据并发送到自主式水下航行器AUV；
602)如果节点接收到自主式水下航行器AUV故障控制包，则执行603)，否则执行601)；
603)将故障自主式水下航行器AUV标记为不可用；
604)节点重新计算自己是否在可用自主式水下航行器AUV的收集区域内，判断自己的类型，根据类型选择自己的数据转发策略；
605)节点设置一个定时器，定时器时长为Trepair-(Tcurrent-Tinvalid)；
606)节点广播一个自主式水下航行器AUV故障控制包，内容包括故障自主式水下航行器AUV的ID，发现自主式水下航行器AUV故障的时间；
607)节点正常工作，普通节点采集数据并转发到网关节点，网关节点收集数据并发送到自主式水下航行器AUV；
608)如果定时器到期，则执行609)，否则执行607)；
609)将故障自主式水下航行器AUV设置为可用。
图7是非网关节点数据转发的示意图。当非网关节点有数据需要发送时，传感器节点首先计算自主式水下航行器AUV到达本深度的位置，计算自主式水下航行器AUV到达本节点深度的位置的方法是，假设传感器节点的深度为h，则自主式水下航行器AUV到达本深度的时间tc为：(自主式水下航行器 AUV下潜时)或者(自主式水下航行器AUV上浮时)，则自主式水下航行器AUV到达本深度时所处的位置为然后选择下一跳邻居节点，邻居节点在收到数据后以同样的方式执行数据转发过程，直到数据到达自主式水下航行器AUV或者汇聚节点sink。
本发明使用预定轨迹的自主式水下航行器AUV收集网络中的数据，减小了控制包的数目，减少了数据转发的跳数，降低了网络的能量消耗，延长了网络的生存时间。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建水下传感器网络模型，水下传感器网络模型是一个LWH三维区域，网络中包括一个汇聚节点sink、多个自主式水下航行器AUV以及多个传感器节点，汇聚节点sink位于区域表层的中心位置，自主式水下航行器AUV按照预定的螺旋轨迹在网络中运行，在网络的三维区域内以汇聚节点sink为原点、x轴正方向水平向右、z轴正方向垂直向下建立三维柱坐标系，网络中传感器节点与自主式水下航行器AUV时间同步，即传感器节点与自主式水下航行器AUV的时钟保持一致，传感器节点中保存网络参数，根据定位算法得到自己的位置坐标，根据自主式水下航行器AUV的移动参数计算自主式水下航行器AUV的运动轨迹；
2)进行网络初始化，将自主式水下航行器AUV的移动参数进行全网通知，计算传感器节点类型，选择数据转发策略，传感器节点构建自己的邻居表，用于数据转发；
3)进行数据转发；
4)调整自主式水下航行器AUV轨迹，在一次沉浮周期结束，自主式水下航行器AUV上浮到水面后，所有自主式水下航行器AUV移动一个固定的相位，当前时间归0，传感器节点计算下一个沉浮周期所有自主式水下航行器AUV的预定轨迹；
5)轨迹调整完成后，传感器节点再次执行节点类型计算过程，构建传感器节点邻居表，然后转至步骤3)；
6)网关节点与自主式水下航行器AUV通信失败后进行重传，若重传超过设定次数通信仍然失败，则认为该自主式水下航行器AUV发生故障，重新计算自己的传感器节点类型并根据节点类型转发数据，将发生故障的自主式水下航行器AUV标记为不可用，然后广播自主式水下航行器AUV故障控制包并设置定时器，接收到故障控制包的传感器节点执行与网关节点相同的操作，即判断自己的节点类型、标记不可用自主式水下航行器AUV以及广播自主式水下航行器AUV故障控制包并设置定时器，所有节点在数据传输计算时不再考虑不可用的自主式水下航行器AUV，定时器到期后，将故障自主式水下航行器AUV标记为可用。
2.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤1)中，网络参数包括：网络的长度L、宽度W、高度H、自主式水下航行器AUV的个数N、节点通信半径R、安全时间tsafe，修复自主式水下航行器AUV所需要的时间Trepair。
3.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤2)中，网络初始化的具体过程为：
31)广播汇聚节点sink控制包：汇聚节点sink以节点通信半径R广播一个汇聚节点sink控制包；
32)广播节点控制包：传感器节点在接收到汇聚节点sink控制包或节点控制包后以通信半径R广播一个节点控制包，使传感器节点获取自主式水下航行器AUV的移动参数和邻居节点信息；
33)计算节点类型：直接接收到汇聚节点sink控制包的传感器节点将自己标记为直接送达节点，其他传感器节点在收到自主式水下航行器AUV的移动参数之后计算自己在当前沉浮周期内是否在自主式水下航行器AUV的收集区域内，在自主式水下航行器AUV收集区域内的节点称为网关节点，不在自主式水下航行器AUV收集区域内的节点为普通节点；
34)构建节点邻居表：所有节点根据接收到的节点控制包构建邻居表，即节点收到邻居节点广播的节点控制包后，将邻居节点ID、邻居节点坐标记录在邻居表中。
4.根据权利要求3所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，汇聚节点sink控制包的内容包括汇聚节点sink的ID和自主式水下航行器AUV的移动参数，节点控制包的内容包括自主式水下航行器AUV的移动参数、节点ID和节点坐标。
5.根据权利要求3所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，自主式水下航行器AUV的移动参数包括：自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度ω，自主式水下航行器AUV圆周运动的径长ρ，自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度vh、自主式水下航行器AUV轨迹调整的相位和初始相位网络中ID为k的自主式水下航行器AUV的初始相位为参数选择时保证其中n为正整数，使自主式水下航行器AUV一个周期结束后回到初始点，H为网络高度，N为自主式水下航行器AUV的个数。
6.根据权利要求3所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤33)中，一个沉浮周期表示自主式水下航行器AUV一次下潜和一次上浮回到出发点，自主式水下航行器AUV的收集区域为与自主式水下航行器AUV距离小于等于安全距离的区域，传感器节点与自主式水下航行器AUV通信安全时间的时长以保证数据发送完成，传感器节点计算自己在当前沉浮周期内是否在任意自主式水下航行器AUV的收集区域内的方法具体为：
61)计算当前沉浮周期自主式水下航行器AUV的坐标，ID为k的自主式水下航行器AUV在当前沉浮周期中的坐标为ω为自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度，ρ为自主式水下航行器AUV圆周运动的径长，t表示当前时间，的值为当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
z坐标的值Z的计算方法为：利用判断当前自主式水下航行器AUV是上浮还是下潜，T表示自主式水下航行器AUV从网络表层移动到底层的时间，H为网络高度，vh为自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度，％表示求余数，[x]表示不超过x的最大整数，如果为上浮，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为2·H–t·vh；如果为下潜，即则自主式水下航行器AUV的z坐标为t·vh；
62)计算安全距离d，计算式为：
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>a</mi> <mi>f</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>Z</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow>
其中，R为节点与自主式水下航行器AUV的通信半径，tsafe为安全时间；
63)计算每个自主式水下航行器AUV与传感器节点的距离D，传感器节点坐标为(r,θ,z)，如果自主式水下航行器AUV下潜，则自主式水下航行器AUV与传感器节点距离D的计算式为：
如果自主式水下航行器AUV上浮，则自主式水下航行器AUV与节点距离为D的计算式为：
D2对t求导后令求导结果等于0，得到自主式水下航行器AUV与传感器节点最近的时间，根据自主式水下航行器AUV与传感器节点最近的时间得到最小距离D，将最小距离D与安全距离d比较；
只要有至少一个自主式水下航行器AUV与传感器节点的最小距离D小于等于安全距离d，传感器节点就在自主式水下航行器AUV的收集区域内。
7.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤3)中，数据转发的过程为：
71)检查节点类型：当传感器节点有数据需要发送时，传感器节点先检查自己的节点类型为直接送达节点、网关节点或普通节点；
72)如果传感器节点是直接送达节点，则直接将数据转发给汇聚节点sink；如果传感器节点是网关节点，则等待任意自主式水下航行器AUV到达本节点的安全距离之内后将数据发送给自主式水下航行器AUV；如果传感器节点是普通节点，则计算最先到达本节点深度的自主式水下航行器AUV到达本节点深度时所处的位置坐标，在邻居表中选择一个距这个位置最近的传感器节点作为下一跳的邻居节点，将数据发送到邻居节点，邻居节点在收到数据后继续执行数据转发工作。
8.根据权利要求7所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤72)中，计算自主式水下航行器AUV到达节点深度时自主式水下航行器AUV所处的位置的方法是：
假设传感器节点的深度为h，则自主式水下航行器AUV到达传感器节点深度h的时间tc为：自主式水下航行器AUV下潜时，vh为自主式水下航行器AUV垂直方向运动的速度，Z为传感器节点的z坐标值；自主式水下航行器AUV上浮时，H为网络高度，自主式水下航行器AUV到达节点深度时所处的位置为ω为自主式水下航行器AUV圆周运动的角速度，ρ为自主式水下航行器AUV圆周运动的径长，的值为当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
9.根据权利要求7所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤72)中，选择下一跳的邻居节点的方法具体为：
91)计算所有自主式水下航行器AUV到达本节点深度的时间tc，然后计算在tc时间距离本节点最近的自主式水下航行器AUV的位置，假设距离本节点最近的自主式水下航行器AUV的ID为k0，遍历邻居表中的所有节点，计算邻居节点与ID为k0的自主式水下航行器AUV在tc时刻的距离，假设邻居节点的坐标为(rn,θn,hn)，则邻居节点与该自主式水下航行器AUV的距离Dn为：
的值为ID为k0的自主式水下航行器AUV当前沉浮周期的初始相位加上调整的相位
92)将邻居节点按照距离排序，选择距离Dn最小的节点作为下一跳邻居节点。
10.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤4)中，在自主式水下航行器AUV开始轨迹调整时，正在发送数据的节点继续发送数据，直至数据发送完成；接收节点暂时缓存数据，等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程；数据需要发送还没有发送的节点不启动发送过程，等待自主式水下航行器AUV轨迹调整完成后重启数据转发过程。
11.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于多AUV的高可用数据收集方法，其特征在于，所述步骤6)中，网关节点发现自主式水下航行器AUV故障后将故障自主式水下航行器AUV从可用自主式水下航行器AUV标记为不可用，设置定时器，广播控制包，控制包内容包括故障自主式水下航行器AUV的ID和发现自主式水下航行器AUV故障的时间Tinvalid，单位为s，则定时器的时长为：Trepair-(Tcurrent-Tinvalid)，其中Trepair为修复自主式水下航行器AUV所需要的时间，Tcurrent为节点设置定时器的时间。
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