CN108494674A - 一种滑翔机辅助的失效链路修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑翔机辅助的失效链路修复方法，包括：簇头节点负责收集和处理簇内所有簇成员以及滑翔机发来的数据包，将数据发送给水面汇聚节点，簇头的路由表应当保存有该区域内所有的路由信息，其中每个传感器节点到达的路由是按照最短路径进行寻路，该区域的滑翔机会周期性的靠近簇头节点并将收集的环境数据转发给簇头，同时簇头会将整个簇成员间的链路中断信息传给滑翔机，以便某链路失效时可以由滑翔机及时进行修复；当收到簇头对滑翔机发出链路修复命令时，采用相应的滑翔机辅助失效链路修复路径优化算法以便滑翔机根据收到的失效链路的位置以及滑翔机本身的位置，结合滑翔机的运动特性计算最优目的地，进而完成链路恢复。

Description

一种滑翔机辅助的失效链路修复方法

技术领域

本发明涉及水下声学通信技术领域，具体的讲是一种滑翔机辅助链路修复的路径优化方法。

背景技术

随着海洋的开发，水下传感器网络越来越多的被应用在商业领域、环境保护领域以及军事领域，比如：海洋数据收集、环境污染检测、海岸线开发、灾害的防治、辅助导航以及军事侦察等方面。然而，对于一些对精度要求较高的研究领域以及对监测实时性要求较高的军事领域等，当前的远程遥感技术以及当地感知技术并不能满足要求。因此，在需要监测的水体中布放能够利用水声通信的传感器节点的水声传感器网络应运而生。然而，复杂的水声通信环境具有带宽有限、高延迟、高误码率以及节点动态变化的特性。这些特性使得设计网络时出现很多问题。

网络中的静态节点虽然被缆线固定于水底，但是由于水流等外力因素的影响，静态节点的位置也会产生一定的扰动。相比较于不被固定的节点来说，锚定节点受到水流影响相对较小，其位置改变区域为一个球冠状曲面，其也会随着时间推移、水流的变化移动到原来位置。节点位置的改变会直接影响水声链路的质量，此外水声链路的质量也会受到海面起伏的影响，因此不同的海面波动会使得信号传播路径不同。这些时变因素会使得链路质量暂时下降，严重者将导致通信链路中断、网络连通性下降。如若等待链路环境自己回归原来的状态，势必会造成较长时间的链路中断，产生较大的传输时延及网络资源的浪费。

考虑到UASNs中数据采集任务是由静态节点和移动节点共同完成，因此如果借用执行数据采集任务的水下航行器辅助失效链路的修复工作，就会实现灵活、高效的网络拓扑维护。而水下滑翔机作为一种具有独特驱动模式的新型的监测设备，较AUV有着耗能低、航程远、低噪声和低成本的优点，被应用在很多的深远海中长时序、大范围、三维连续海洋环境参数收集任务。因此，对于实时性要求不高的网络来说，可以在水下滑翔机进行数据采集任务基础上，辅助网络进行失效链路的修复。

因此就需要利用可移动的水下滑翔机进行链路修复。滑翔机通过确定需要修复的链路位置结合自身的运动特性，进行链路修复，使网络恢复连通性。

发明内容

为了改善能够及时修复中断链路从而恢复网络连通性提高网络可靠性，本发明提供一种滑翔机辅助链路修复的路径优化方法，使得滑翔机在进行数据收集工作的同时能够辅助网络的中断链路进行修复。技术方案如下：

一种滑翔机辅助的失效链路修复方法，包括下列步骤：

步骤一：中断链路的发现过程：簇头节点负责收集和处理簇内所有簇成员以及滑翔机发来的数据包，将数据发送给水面汇聚节点，簇头的路由表应当保存有该区域内所有的路由信息，其中每个传感器节点到达的路由是按照最短路径进行寻路，水下节点在没有数据需要接收和发送时，自动从活动状态进入休眠状态，该区域的滑翔机会周期性的靠近簇头节点并将收集的环境数据转发给簇头，同时簇头会将整个簇成员间的链路中断信息传给滑翔机，以便某链路失效时可以由滑翔机及时进行修复；

步骤二：当收到簇头对滑翔机发出链路修复命令时，采用相应的滑翔机辅助失效链路修复路径优化算法以便滑翔机根据收到的失效链路的位置以及滑翔机本身的位置，结合滑翔机的运动特性计算最优目的地，进而完成链路恢复，方法如下：

(1)滑翔机在滑翔模式下，通过浮力调节单元和姿态调节单元实现“锯齿形”剖面，而螺旋回转运动是在锯齿形运动的基础上再加上横滚调节机构的作用来实现的；根据滑翔机其动力学方程通过变步长四阶龙格-库塔法Runge-Kutta method进行模型数值求解出任意时刻下滑翔机的运动学参数；

(2)以最小化信道衰减为目标建立多目标函数，兼顾水声信道特性和滑翔机运动特性，利用理想点法将多目标函数转化为单目标函数进行最优路径的求解；

(3)在目标函数求解过程中，由于滑翔机运动轨迹受限，在进行函数求解时会出现两种情况，采取以下的解决方法：当滑翔机的轨迹覆盖范围与最优中继位置有交点时，选择交点位置为最优区域；如果没有交点则选择滑翔机轨迹中距离最优中继位置最短的点作为次优解；

(4)根据计算出的最优中继位置，簇头节点即调度滑翔机到指定位置完成链路修复，恢复网络的连通性。

本发明提供的滑翔机辅助的失效链路修复方法能够灵活地对网络中的中断链路进行修复，对于关键节点之间的中断链路，该方法也能够无差别的进行链路修复，相比较其他算法来说更加具有普适性。在充分考虑滑翔机运动特性的基础上提出的该方法，能够大大提高网络的数据包投递率，保证了网络的可靠性和能量有效性。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

为了能够及时的调度滑翔机进行中断链路的修复，就需要簇头节点能够发现链路的中断信息。簇头节点负责收集和处理簇内所有簇成员以及滑翔机发来的数据包，最终将数据发送给水面汇聚节点。假设簇头的路由表保存有该区域内所有的路由信息，其中每个传感器节点到达的路由是按照最短路径进行寻路，即每个节点到达簇头节点的路径是唯一的。在该网络中，水下节点在没有数据需要接收和发送时，自动从活动状态进入休眠状态。对于该区域的滑翔机会周期性的靠近簇头节点并将收集的环境数据转发给簇头，同时簇头会将整个簇成员间的链路中断信息传给滑翔机，以便某链路失效时可以由滑翔机及时进行修复。

当收到簇头对滑翔机发出相应链路的修复命令时，就需要设计相应的滑翔机辅助失效链路修复路径优化算法以便滑翔机根据收到的失效链路的位置以及滑翔机本身的位置，结合滑翔机的运动特性计算最优目的地，进而完成链路恢复。

在该问题中，使滑翔机所在位置满足接收机的信噪比门限的条件下，结合滑翔机的运动特性，将最小化节点a到滑翔机以及滑翔机到节点b(a的下一跳节点)的信号损耗为目标建立多目标函数。

在对策论中作决策时，针对多目标优化问题往往采取理想点法的思想解决问题。即对每个分量目标函数分别求其极小值点作为该分量目标函数的理想值，然后通过分量目标函数在可行域内尽可能的逼近相应理想值的方法，获得原多目标规划问题的最优解。因此，该多目标规划问题就可以表示为：

min{|TL_ag-TL_ag ^*|+|TL_gb-TL_gb ^*|}

s.t.

C1.TL_ag＜TL_th1 (1)

C2.TL_gb＜TL_th2

C3.c_s(x),c_t(x)∈trail(x)

其中TL_ag和TL_gb分别表示节点a到滑翔机和滑翔机到节点b的信号衰减，TL_ag ^*和TL_gb ^*分别表示每个分量目标函数TL_ag和TL_gb的极小值点。限制条件C1表示节点a到滑翔机的传输损耗应低于一个损耗阈值TL_th1，限制条件C2表示节点滑翔机到节点b的传输损耗应低于一个损耗阈值TL_th2，限制条件C3中的trail(x)为等式方程表示滑翔机进行链路修复时可能的运动轨迹，并且其起始位置c_s(x)和终止位置c_t(x)都为其运动轨迹上的某个点，不同的运动轨迹会导致目标函数的可行域不同。

要满足C3中的约束条件，还需要对滑翔机的运动轨迹进行研究。以“海燕”号滑翔机为例，研究其运动特性：该滑翔机在滑翔模式下，通过浮力调节单元和姿态调节单元实现“锯齿形”剖面，而螺旋回转运动是在锯齿形运动的基础上再加上横滚调节机构的作用来实现的。滑翔机的运动学方程的得到需要考虑滑翔机本身的受力情况，根据其动力学方程通过变步长四阶龙格-库塔法(Runge-Kutta method)进行模型数值求解出任意时刻下滑翔机的运动学参数。由于滑翔机的浮力调节单元的工作效率相对较高，因此仅由浮力调节单元和姿态调节单元控制的“锯齿形”剖面运动比较适合长航程的监测任务。对控制参量的调节可以控制“海燕”号的各个运动数据。其运动方程的得到是通过对其在地面坐标系的速度矢量进行积分，因此滑翔机轨迹就受到滑翔机滚动角、俯仰角和偏航角的范围限制。

由于滑翔机本身运动轨迹受限，导致该非线性规划问题的解决存在两种情况：Case1：滑翔机运动轨迹与使得目标函数最优的区域有交点。Case2：滑翔机运动轨迹与使得目标函数最优的区域没有交点。

对于不同的情形需要有不同的处理方法，对于情景1即轨迹与最优区域有交点的情况，即对于该连续问题可以取到问题的最优解，则该NLP问题的问题就可以用乘子法求解该约束问题得到问题的最优解。对于情景2轨迹与最优区域没有交点的情况，即结合滑翔机运动特性后问题的最优解不存在，则将问题进行转化：求解滑翔机轨迹覆盖区域A₁与最优区域A₂距离最小的点作为该问题的次优解，即该问题进一步转化为目标函数为min{d(A₁,A₂)}。其中区域A₁表示的范围由公式(2)表示，区域A₂表示的范围由公式(3)表示。

trail(x)＝0 (2)

s.t. (3)

C1.TL_ag＜TL_th1

C2.TL_gb＜TL_th2

根据计算出的最优中继位置，簇头节点即调度滑翔机到指定位置完成链路修复，恢复网络的连通性。相对于其他算法来说，该方法能够更加灵活的对任意节点间链路进行修复，更加具有普适性。并且该方法能够减少拓扑动态变化而产生的能耗，提高了网络的可靠性和能量有效性。

Claims (1)

1.一种滑翔机辅助的失效链路修复方法，包括下列步骤：

步骤一：中断链路的发现过程：簇头节点负责收集和处理簇内所有簇成员以及滑翔机发来的数据包，将数据发送给水面汇聚节点，簇头的路由表应当保存有该区域内所有的路由信息，其中每个传感器节点到达的路由是按照最短路径进行寻路，水下节点在没有数据需要接收和发送时，自动从活动状态进入休眠状态，该区域的滑翔机会周期性的靠近簇头节点并将收集的环境数据转发给簇头，同时簇头会将整个簇成员间的链路中断信息传给滑翔机，以便某链路失效时可以由滑翔机及时进行修复；

步骤二：当收到簇头对滑翔机发出链路修复命令时，采用相应的滑翔机辅助失效链路修复路径优化算法以便滑翔机根据收到的失效链路的位置以及滑翔机本身的位置，结合滑翔机的运动特性计算最优目的地，进而完成链路恢复，方法如下：

(1)滑翔机在滑翔模式下，通过浮力调节单元和姿态调节单元实现“锯齿形”剖面，而螺旋回转运动是在锯齿形运动的基础上再加上横滚调节机构的作用来实现的；根据滑翔机其动力学方程通过变步长四阶龙格-库塔法Runge-Kutta method进行模型数值求解出任意时刻下滑翔机的运动学参数；

(2)以最小化信道衰减为目标建立多目标函数，兼顾水声信道特性和滑翔机运动特性，利用理想点法将多目标函数转化为单目标函数进行最优路径的求解；

(3)在目标函数求解过程中，由于滑翔机运动轨迹受限，在进行函数求解时会出现两种情况，采取以下的解决方法：当滑翔机的轨迹覆盖范围与最优中继位置有交点时，选择交点位置为最优区域；如果没有交点则选择滑翔机轨迹中距离最优中继位置最短的点作为次优解；

(4)根据计算出的最优中继位置，簇头节点即调度滑翔机到指定位置完成链路修复，恢复网络的连通性。