CN111031557A - 一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统 - Google Patents

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CN111031557A CN201911250025.6A CN201911250025A CN111031557A CN 111031557 A CN111031557 A CN 111031557A CN 201911250025 A CN201911250025 A CN 201911250025A CN 111031557 A CN111031557 A CN 111031557A
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Abstract

本发明涉及一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统。方法包括获取水下无线传感器网络拓扑结构；根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；获取第i个子节点的发送时刻；根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；判断出所述第i个子节点和第i+1个子节点是否为并行传输的子节点。本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法解决现有技术中能耗高和网络性能低的问题。

Description

一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统
技术领域
本发明涉及传感器通信技术领域，特别是涉及一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统。
背景技术
随着无线通信和传感技术的飞速发展，无线传感器网络已经被广泛应用。近年来，随着水下通信的迅速发展，水下无线传感器网络(Underwater Wireless SensorNetworks，UWSNs)已成为研究的热点。UWSNs在海洋资源开发、环境监测、军事监视和安全监控等方面都具有广泛的应用前景。UWSNs属于无线传感器网络的一种，但是它与地面无线节点依靠无线电信号相互通信不同。UWSNs节点采用声波作为通信介质，速度为1500m/s，比无线电信号低5个数量级。水声信道具有传播延迟长、误码率高、带宽低等特点。并且UWSNs中的声学传感器节点通常是利用电池供电，蓄电或更换电池难度较大，为了长期的传感、数据收集和通信提供必要的电力，尽量减少UWSNs的能耗，提高UWSNs的高效节能和寿命。
为了提高UWSNs的高效节能和寿命，将基于休眠和并发传输的介质访问控制协议(medium access control,MAC)应用在水下无线传感器网络中。MAC协议设计中存在时空不确定性问题。时空不确定性问题是由于空间的不确定性(不同的传播延迟)和时间的不确定性(不同的发送时间)，这种空间的不确定性使得接收时间也不确定性，因此可能会导致数据包在接收方引起碰撞。因此，为了避免冲突，应该考虑发送和接收的合理调度。
将MAC协议设计为有竞争性的MAC协议和无竞争性的MAC协议。竞争性的MAC协议有随机接入的方式和基于握手预约的方式。在随机访问方法中，节点只要准备好数据就可以开始传输。当数据包到达接收器时，如果接收器没有接收到任何其他节点的包并且在该期间没有其他包到达，则接收器就可以成功地接收该包，反之，则会产生冲突。因此，在随机接入MAC协议中，多个节点在不受任何控制的情况下随机共享传输介质。这种随机接入的思想很简单，只要节点有数据要发送，就可以发送。当然，这样很容易造成冲突，尤其在水下无线传感器网络中，由于较低的传输速率，使得数据发送的持续时间较长，冲突发生的可能性更高。基于握手的预约方法中，当节点有数据要发送时，首先要预约信道。即当多个节点竞争信道时，节点要通过发送控制报文预约信道。目前，竞争性的基于握手的MAC协议中，基于冲突避免多址接入MACA的MAC协议和基于数据流多址接入FAMA的MAC协议，两种MAC协议是两种经典的竞争性的基于握手的MAC协议。
MACA协议作为一种基于RTS/CTS的握手机制，避免多跳网络中的冲突问题，有效地减少碰撞。然而，它是针对无线电波网络设计的，较长的握手时间加长了节点获取信道的平均等待的时间，从而增加了端到端的时延，并不能很好地适用于水下无线传感器网络。FAMA协议通过使用延长RTS/CTS控制包的传输时延的方法，结合了载波侦听和握手机制来避免冲突，针对水声网络的长传播时延的特性，FAMA协议要求所有的数据包(包括控制包)只能在时隙开始时进行发送，并且为了保证数据的正确传输，它要求在数据传输完成后发送ACK，使得原本不适用于水下环境的MACA协议可以工作于具有传播延迟长特点的水下无线传感器网络。然而，这种加长的控制包在水下传感器网络中是以消耗大量的能耗为代价的。尽管竞争性的MAC协议都期望提高网络的性能，但是由于传播延迟长,带宽狭窄和误码率高的特性，使得竞争性的MAC协议在水下环境中很难实现最优。
而作为无竞争的MAC协议中TDMA协议引起了人们的广泛关注。在TDMA协议，根据全局或局部网络拓扑信息建立一张冲突表，然后根据节点的流量负载利用冲突表进行调度，利用本地同步来确定每个传感器节点的时间线，它通过广播SYNC包来完成与邻居节点的同步及确定节点的传输周期；使得所有节点都使用已经分配好的时隙进行工作，提高了能效。同时为了考虑节能，它引入了睡眠模式，因为在这种模式下消耗的能量更少。但是，水声信道的存在时空不确定性，TDMA协议没有考虑水下传感器网络的时刻不确定性，从而忽略了接收节点和发送节点之间时延差异性，增加接收端的接收包的空闲等待时间，从而会降低网络的流量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统，解决现有技术中能耗高和网络性能低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，包括：
获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；
根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；
获取第i个子节点的发送时刻；
根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；
以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；
判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
可选的，所述获取第i个子节点的发送时刻，之前还包括：
获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；
根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure BDA0002308759670000041
确定所述第1个子节点的发送时刻；
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水声的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
可选的，所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻，具体包括：
利用公式
Figure BDA0002308759670000042
确定所述第i个子节点的开始接收时刻；
利用公式
Figure BDA0002308759670000043
确定所述第i个子节点的完全接收时刻；
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
可选的，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻，具体包括：
利用公式
Figure BDA0002308759670000044
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
可选的，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻确定所述父节点的所有子节点的发送时刻，之后还包括：
将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻，之后还包括：
将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信。
一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，包括：
拓扑结构获取模块，用于获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；
节点信息获取模块，用于根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；
发送时刻获取模块，用于获取第i个子节点的发送时刻；
第一接收时刻确定模块，用于根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；
第二接收时刻确定模块，用于以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；
判断模块，用于判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；
第一发送时刻确定模块，用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；
第二发送时刻确定模块，用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
可选的，还包括：
父节点的初始接收时刻获取模块，用于获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；
第1个子节点的发送时刻确定模块，用于根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure BDA0002308759670000061
确定所述第1个子节点的发送时刻；
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
可选的，所述第一接收时刻确定模块具体包括：
开始接收时刻确定单元，用于利用公式
Figure BDA0002308759670000062
确定所述第i个子节点的开始接收时刻；
完全接收时刻确定单元，用于利用公式
Figure BDA0002308759670000071
确定所述第i个子节点的完全接收时刻；
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
可选的，所述第一发送时刻确定模块具体包括：
第i+1个子节点的发送时刻确定单元，用于利用公式
Figure BDA0002308759670000072
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
可选的，还包括：
通信模块，用于将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统，结合每个节点的信息及水下无线传感网的长传播时延，确定不同节点的发送时刻。对于两个子节点来说，父节点接收第一个子节点的数据包的时间段与父节点接收第二个子节点的数据包的时间段之间不重叠时，两个子节点可以采用相同的发送时刻，即可以并行发送。进而减少了发送方和接收方之间的通信时间，降低了能量消耗，提高了信道利用率，进而提高了网络的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法流程示意图；
图2为本发明所提供的一种水下无线传感器网络的拓扑结构示意图；
图3为本发明所提供的同一层级节点间的干扰拓扑结构示意图；
图4为本发明所提供的不同层级节点间的干扰拓扑结构示意图；
图5为本发明所提供的水下无线传感器网络一层拓扑结构示意图；
图6为本发明所提供根据水下无线传感器网络一层拓扑结构进行通信的示意图；
图7为本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统，解决现有技术中能耗高和网络性能低的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法包括：
S101，获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点。
其中，所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构如图2所示，节点部署在一个分层的区域内，每一层级根据水域的深度进行划分；节点深度处于depi～depi+1(i≥1)之间(包括刚好等于depi)，所对应的节点的层级为Li。sink节点的层级为L0。其中每个节点有且只有一个父节点，称为它的下一跳节点(更靠近sink节点的节点)，有一个或多个子节点，称为它的上一跳节点(更靠近水底的节点)。
具体的节点的划分为Sink节点、父节点、子节点、中继节点、叶子节点、发送节点和接收节点。
Sink节点为位于水面的负责收集其他节点的信息，一直处于唤醒状态，在本网络拓扑中担当树根节点。
父节点为节点的Nt中的下一跳节点(更靠近sink节点，且Li和di都比自己小的节点)。
子节点为节点的Nt中的上一跳节点(Li和di都比自己大的节点)
中继节点为既是父节点又是子节点，负责接收和转发子节点的信息。
叶子节点为sensor节点，只有父节点没有子节点，负责采集和发送数据。
发送节点为叶子节点或中继节点，正在发送或转发数据的节点。
接收节点为sink节点或中继节点，正在接收数据的节点。
S102，根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点。
根据所述水下传感器网络拓扑结构获取每个节点的周期T、初始启动时间以及位置信息。通过当前位置信息中的深度信息可以得到自己的层级信息。每个节点按初始启动时间启动自己，并随机广播Hello包，节点通过接收到的邻居节点发来的Hello包可以获取它们的ID、节点的层级Li、节点的位置Pos、子节点的个数Nss和节点的剩余能量Er信息，以此来填充及更新它的节点的邻居表Nt中的下一跳节点和上一跳节点的信息。由此可以得到它的子节点ID及子节点的个数C(i)，然后依据子节点的Pos和自己的Pos计算出它与各个子节点的距离Dsp。根据所述水下传感器网络拓扑结构获取每个节点等待Hello包的时间Th，每个节点等待Hello包的时间Th大于网络中的最大传输时延，即Th＞Tpmax，保证每个节点都能收到自己邻居节点的Hello包。
S103，获取第i个子节点的发送时刻。
S104，根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻。
利用公式
Figure BDA0002308759670000101
确定所述第i个子节点的开始接收时刻。
利用公式
Figure BDA0002308759670000102
确定所述第i个子节点的完全接收时刻。
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
第i个子节点的的层级为
Figure BDA0002308759670000106
节点子节点数Nss时，利用
Figure BDA0002308759670000103
确定第i个子节点的数据传输量
Figure BDA0002308759670000104
当Nss为最大值Nss-max时，利用公式
Figure BDA0002308759670000105
确定该层子节点的最大的数据传输量ls-max。
S105，以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同。
S106，判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻。
S107，当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
利用公式
Figure BDA0002308759670000111
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
此时，第i+1个子节点与第i个子节点不是并行传输的子节点。第i+1个子节点通过优先级公式
Figure BDA0002308759670000112
进行确定。Dsr为两个节点的距离，Dmax为最大距离，Nss为节点的子节点数，lmax＝Nl×l。
S108，当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
此时，第i+1个子节点和第i个子节点为两个并行传输的子节点，两个子节点的发送时刻相同，且所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻。即两个子节点的发送时刻相同，且D(i+1)r≥Dir+2ΔD+Ttrans×vwater时可以实现并发传输，并选择距离D(i+1)r＝min(Dir+2ΔD+Ttrans×vwater)的节点为并发节点中最早到达的节点。
在S103之前还包括：
获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点。
根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure BDA0002308759670000113
确定所述第1个子节点的发送时刻。
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
为了避免了图3和图4节点间的干扰，将所述的子节点的发送时刻确定之后，将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点，完成通信。
本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法具体过程为：
1)将父节点对应的子节点换分为接收节点的所有子节点的集合Z(r)、已分配了发送时刻的子节点的集合O(s)和还未分配发送时刻的子节点的集合R(s)，R(s)＝Z(r)-O(s)。
2)把当前父节点(sink节点)的所有子节点加入Z(r)和R(s)中，并预设此父节点的tf(1r-first)＝0，然后从Z(r)中选择离自己距离最近的子节点为第一个发送节点，然后按预设的tf(1r-first)＝0计算出此子节点的发送时刻，并把此节点加入O(s)中，更新R(s)，计算出此父节点接收第1个子节点数据的最晚的接收时刻tf(1r-last)。
3)父节点在R(s)中寻找能与上一个子节并发传输的子节点，如果找到这样的节点，把节点加入O(s)中，更新R(s)，并计算出它接收此子节点的数据的最晚的接收时刻tf((i+1)pr-last)，返回3)，如果没有找到这样的节点，则进行步骤4)。
4)父节点在R(s)中选择离自己距离最近的子节点，确定此子节点为下一个发送节点，依据上一个节点的tf(ir-last)，计算出此子节点的最早的发送时刻tc((i+1)s-first)，并把此节点加入O(s)中，更新R(s)，返回3)。
5)直到当前父节点的子节点为叶子节点，及所有的节点都分配了发送时刻。
作为另一实施例，根据图5所示的水下无线传感器网络一层拓扑结构确定每一节点的发送时刻的过程为：
节点r当前为父节点，即父节点，节点a、b、s、m为子节点。在发送时间分配初始阶段，Z(r)＝{s,a,b,m}，
Figure BDA0002308759670000131
R(s)＝{s,a,b,m}。首先节点r预设它的接收开始时间tf(1r-first)＝0，并在集合Z(r)选定与自己距离最近的子节点为s，确定s节点为第一个发送节点，计算出s节点的最早发送时刻tc(1s-first)，r节点以此计算出接收完s节点的所有数据包的最晚接收时刻tf(1r-last)，并将节点s加入集合O(s)，此时O(s)＝{s}，R(s)＝{a,b,m}。在R(s)中选择能与s节点并发的子节点，假设选定了m节点，此时O(s)＝{s,m}，R(s)＝{a,b}，再依据节点r接收子节点m的接收时刻tf(2pr-last)，然后在R(s)选择能与m节点并发的子节点，此次选择了节点b，此时O(s)＝{s,m,b}，R(s)＝{a}。到此，所有满足并发条件的节点都已经被选完了；在不满足并发条件的节点中选择下一个发送节点，此时选择了节点a，至此O(s)＝{s,m,b,a}，
Figure BDA0002308759670000132
依据以上的各个子节点发送时刻分配过程，子节点的数据发送过程如图6。
当父节点在两个周期内没有收到某个子节点的数据包，它认为此节点已经死亡了，如果失效的节点是叶子节点，它的父节点重新分配其他子节点的发送时刻。
对应本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，本发明还提供了一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，如图7所示，本发明还提供了一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统包括：拓扑结构获取模块701、节点信息获取模块702、发送时刻获取模块703、第一接收时刻确定模块704、第二接收时刻确定模块705、判断模块706、第一发送时刻确定模块707和第二发送时刻确定模块708。
拓扑结构获取模块701用于获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点。
节点信息获取模块702用于根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点。
发送时刻获取模块703用于获取第i个子节点的发送时刻。
第一接收时刻确定模块704用于根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻。
第二接收时刻确定模块705用于以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同。
判断模块706用于判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻。
第一发送时刻确定模块707用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
第二发送时刻确定模块708用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，还包括：父节点的初始接收时刻获取模块和第1个子节点的发送时刻确定模块。
父节点的初始接收时刻获取模块用于获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点。
第1个子节点的发送时刻确定模块用于根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure BDA0002308759670000141
确定所述第1个子节点的发送时刻。
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
所述第一接收时刻确定模块704具体包括：开始接收时刻确定单元和完全接收时刻确定单元。
开始接收时刻确定单元用于利用公式
Figure BDA0002308759670000151
确定所述第i个子节点的开始接收时刻。
完全接收时刻确定单元用于利用公式
Figure BDA0002308759670000152
确定所述第i个子节点的完全接收时刻。
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
所述第一发送时刻确定模块707具体包括：第i+1个子节点的发送时刻确定单元。
第i+1个子节点的发送时刻确定单元用于利用公式
Figure BDA0002308759670000153
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
本发明所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，还包括：通信模块。
通信模块，用于将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，包括：
获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；
根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；
获取第i个子节点的发送时刻；
根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；
以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；
判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
2.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述获取第i个子节点的发送时刻，之前还包括：
获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；
根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure FDA0002308759660000021
确定所述第1个子节点的发送时刻；
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
3.根据权利要求2所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻，具体包括：
利用公式
Figure FDA0002308759660000022
确定所述第i个子节点的开始接收时刻；
利用公式
Figure FDA0002308759660000023
确定所述第i个子节点的完全接收时刻；
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
4.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻，具体包括：
利用公式
Figure FDA0002308759660000031
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
5.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻确定所述父节点的所有子节点的发送时刻，之后还包括：
将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻，之后还包括：
将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信。
6.一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，包括：
拓扑结构获取模块，用于获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；
节点信息获取模块，用于根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；
发送时刻获取模块，用于获取第i个子节点的发送时刻；
第一接收时刻确定模块，用于根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；
第二接收时刻确定模块，用于以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；
判断模块，用于判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；
第一发送时刻确定模块，用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；
第二发送时刻确定模块，用于当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。
7.根据权利要求6所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，还包括：
父节点的初始接收时刻获取模块，用于获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；
第1个子节点的发送时刻确定模块，用于根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式
Figure FDA0002308759660000041
确定所述第1个子节点的发送时刻；
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
8.根据权利要求7所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，所述第一接收时刻确定模块具体包括：
开始接收时刻确定单元，用于利用公式
Figure FDA0002308759660000051
确定所述第i个子节点的开始接收时刻；
完全接收时刻确定单元，用于利用公式
Figure FDA0002308759660000052
确定所述第i个子节点的完全接收时刻；
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。
9.根据权利要求6所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，所述第一发送时刻确定模块具体包括：
第i+1个子节点的发送时刻确定单元，用于利用公式
Figure FDA0002308759660000053
确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。
10.根据权利要求6所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度系统，其特征在于，还包括：
通信模块，用于将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信。
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