CN111132064B - 一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法 - Google Patents

一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下传感器数据采集领域，涉及一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法。该方法采用水下航行器作为中继转发节点，水下航行器在采集数据时悬停，包括：S1、构建水下航行器中继模型；S2、基于水下航行器中继模型，构建水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器采集每个水下传感器节点数据时的悬停点位置；S3、根据悬停点位置，采用路径规划算法，得出水下航行器的运动路线；S4、水下航行器按照运动路线将水下传感器节点数据中继转发到水面汇聚节点，完成水下传感器节点的数据采集。本发明可以在水下传感器节点能耗与数据收集时延之间达到平衡，并保证水下航行器中继转发数据时，具有较好的通信质量。

Description

一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法
技术领域
本发明属于水下传感器数据采集领域，涉及一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法。
背景技术
水下传感器在海洋资源开发和利用、海洋环境检测等领域有着广泛的应用。水下传感器网络逐渐被人们重视。
数据采集是水下传感器网络的基础应用之一，目前主要基于水下传感器网络，将水下传感器的数据传递到水面汇聚节点。对于节点数量众多、覆盖范围广阔的水下传感器网络，当水下传感器节点和水面汇聚节点不能直接通信时，需要借助于中间的水下传感器节点中继转发数据，这容易造成中间的水下传感器节点能量耗尽、水下传感器网络的使用寿命短暂等问题。
有研究提出一种采用水下航行器遍历相应的水下传感器节点，近距离采集水下传感器节点的数据，然后回到水面上，以无线通信等方式将数据传递到水面汇聚节点的方法，虽然该方法可以充分节省相应的水下传感器节点的能耗，但由于水下航行器运动速率受限，水下传感器节点的数据传递到水面汇聚节点的时长(数据采集时延)会相应变大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法，采用水下航行器作为中继节点，水下航行器在采集数据时悬停，包括：
S1、构建水下航行器中继模型；
S2、基于水下航行器中继模型，构建水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器采集每个水下传感器节点数据时的悬停点位置；
S3、根据悬停点位置，采用路径规划算法，得出水下航行器的运动路线；
S4、水下航行器沿着运动路线将水下传感器节点数据中继转发到水面汇聚节点，完成水下传感器节点的数据采集。
优选地，水下航行器中继模型包括：多个水面汇聚节点、一个水下航行器及多个水下传感器节点，其中：水面汇聚节点通过将水下航行器作为中继节点，来采集水下传感器节点的数据。
优选地，步骤S2包括：
S21、水下传感器节点根据最短距离优先的原则，选择相应的水面汇聚节点作为目的节点；
S22、确定水下航行器中继转发数据的通信中断概率；
S23、根据水下航行器中继转发数据的通信中断概率，基于最小化中断概率的原则，建立水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器的悬停点位置。
优选地，步骤S22包括：
将源节点和目的节点之间通信的中断概率定义为：目的节点接收信号的瞬时信噪比γs低于信噪比门限值γth的概率；
将水下航行器中继转发数据的通信中断概率定义为：水下传感器节点发送数据，经由水下航行器中继转发，到达相应的水面汇聚节点这整个通信过程中的中断概率；
考虑水声通信的传输损耗和莱斯信道模型，则当水下航行器采用放大转发的方式来中继转发数据的通信中断概率表示为：
Figure BDA0002340917820000021
其中，K是莱斯信道直射径功率和散射径功率的比值，N是噪声功率，γth是信噪比门限值，α是吸收系数，k是扩散因子，d1是水下传感器节点到水下航行器之间的距离，d2是水下航行器到水面汇聚节点之间的距离，PS是水下传感器节点的发射功率，PV是水下航行器的发射功率，Q1是Marcum Q函数。
优选地，水下航行器悬停点位置模型为：
Figure BDA0002340917820000022
s.t.d1+d2≥dSD
d1≤dSD
d2≤dSD
其中，dSD为水下传感器节点和相应的水面汇聚节点之间的距离。
优选地，利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器悬停点位置的过程包括：
将水下传感器节点的参数代入水下航行器悬停点位置优化模型中进行求解，即可得出水下传感器节点到水下航行器之间的距离d1和水下航行器到相应水面汇聚节点的距离d2；通过d1、d2，即可得知水下航行器中继转发水下传感器节点数据时的悬停点位置。
优选地，若水下航行器中继转发水下传感器节点数据时的悬停点位置具有多个，则采用随机方法任选一个作为悬停点位置。
优选地，步骤S3中的路径规划算法包括但不限于遗传算法、模拟退火算法。
优选地，步骤S4包括：水下航行器在数据采集过程中，沿运动路线到达某一个悬停点后停止运动，水下航行器将停止运动时所在的悬停点对应的水下传感器节点的数据中继转发到水面汇聚节点，待数据采集完毕后，水下航行器沿着运动路线，运动到下一个悬停点的位置，去采集下一个水下传感器节点的数据，直至所有水下传感器节点的数据都采集完毕。
本发明包括如下有益效果：
1、本发明利用水下航行器来中继转发数据，可以在节省水下传感器节点的能耗与减小数据采集时延之间达到平衡。
2、创新性提出一种水下航行器中继转发数据的通信中断概率，进而提出一种水下航行器悬停点位置模型，该模型能保证水下航行器中继转发数据时，具有较好的通信质量。
附图说明
图1为本发明一个实施例中水下航行器中继模型示意图；
图2为本发明一个实施例中确定悬停点位置并得出水下航行器运动路线的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。
一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法，采用水下航行器作为中继节点，水下航行器在采集数据时悬停，包括：
S1、构建水下航行器中继模型。
在一个实施例中，水下航行器中继模型，如图1所示，包括：m个水面汇聚节点Dj(j＝1,2,...,m)、一个水下航行器及n个水下传感器节点Si(i＝1,2,...,n)，水面汇聚节点通过将水下航行器作为中继节点，来采集水下传感器节点的数据。
S2、构建水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器采集每个水下传感器节点数据Si时的悬停点Hi的位置。
具体包括：
S21、水下传感器节点根据最短距离优先的原则，选择相应的水面汇聚节点作为其目的节点。如图1所示，节点S1的目的节点是D1，节点S2、S3的目的节点都是D2。
S22、确定水下航行器中继转发数据的通信中断概率。
具体包括：
将源节点和目的节点之间通信的中断概率定义为：目的节点接收信号的瞬时信噪比γs低于信噪比门限值γth的概率。
将水下航行器中继转发数据时，通信的中断概率定义为：水下传感器节点发送数据，经由水下航行器中继转发，到达相应的水面汇聚节点这整个通信过程中的中断概率。
考虑水声通信的传输损耗和莱斯信道模型，则当水下航行器采用放大转发(AF)的方式来中继转发数据的通信中断概率可表示为：
Figure BDA0002340917820000041
其中，K是莱斯信道直射径功率和散射径功率的比值，N是噪声功率，γth是信噪比门限值，α是吸收系数，k是扩散因子，d1是水下传感器节点到水下航行器之间的距离，d2是水下航行器到水面汇聚节点之间的距离，PS是水下传感器节点的发射功率，PV是水下航行器的发射功率，Q1是Marcum Q函数。
Marcum Q函数的表达式如下：
Figure BDA0002340917820000042
其中，I0(y)是第一类零阶修正贝塞尔函数。
S23、根据水下航行器中继转发数据的通信中断概率，基于最小化中断概率的原则，建立水下航行器悬停点位置模型，并利用该模型确定水下航行器的悬停点位置。
根据中断概率的表达式，基于最小化中断概率的原则，构建水下航行器悬停点位置模型：
Figure BDA0002340917820000043
s.t.d1+d2≥dSD
d1≤dSD
d2≤dSD
其中，dSD为水下传感器节点和相应的水面汇聚节点之间的距离。
将水下传感器节点Si的相关参数代入水下航行器悬停点位置优化模型中进行求解，即可得出水下传感器节点到水下航行器之间的距离d1和水下航行器到相应水面汇聚节点的距离d2。通过d1、d2，即可得知水下航行器中继转发节点Si数据时的悬停点位置(若该悬停点位置不唯一，则随机任取一个悬停点位置)。如图2，通过上述步骤，确定水下航行器中继转发节点S1、S2、...、Sn数据时的悬停点H1、H2、...、Hn的位置。
S3、如图2，根据悬停点H1、H2、...、Hn的位置，采用路径规划算法，得出水下航行器的运动路线。
所采用的路径规划算法，可以是遗传算法、模拟退火算法等各种路径规划算法中的任意一种。
S4、水下航行器在数据采集过程中，在悬停点Hi停止运动，将水下传感器节点Si的数据中继转发到水面汇聚节点，待节点Si的数据采集完毕后，水下航行器沿着既定的运动路线，运动到下一个悬停点Hi+1的位置，去采集下一个水下传感器节点Si+1的数据，直至所有传感器节点的数据都采集完毕。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，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，这些改进和变形都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于水下航行器的水下传感器数据采集方法，其特征在于，采用水下航行器作为中继节点，水下航行器在采集数据时悬停，包括：
S1、构建水下航行器中继模型；
S2、基于水下航行器中继模型，构建水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器采集每个水下传感器节点数据时的悬停点位置；
S3、根据悬停点位置，采用路径规划算法，得出水下航行器的运动路线；
S4、水下航行器沿着运动路线将水下传感器节点数据中继转发到水面汇聚节点，完成水下传感器节点的数据采集；
步骤S2包括：
S21、水下传感器节点根据最短距离优先的原则，选择相应的水面汇聚节点作为目的节点；
S22、确定水下航行器中继转发数据的通信中断概率；
S23、根据水下航行器中继转发数据的通信中断概率，基于最小化中断概率的原则，建立水下航行器悬停点位置模型，并利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器的悬停点位置；
步骤S22包括：
将源节点和目的节点之间通信的中断概率定义为：目的节点接收信号的瞬时信噪比γs低于信噪比门限值γth的概率；
将水下航行器中继转发数据的通信中断概率定义为：水下传感器节点发送数据，经由水下航行器中继转发，到达相应的水面汇聚节点这整个通信过程中的中断概率；
考虑水声通信的传输损耗和莱斯信道模型，则当水下航行器采用放大转发的方式来中继转发数据的通信中断概率表示为：
Figure FDA0003244831520000011
其中，K是莱斯信道直射径功率和散射径功率的比值，N是噪声功率，γth是信噪比门限值，α是吸收系数，k是扩散因子，d1是水下传感器节点到水下航行器之间的距离，d2是水下航行器到水面汇聚节点之间的距离，PS是水下传感器节点的发射功率，PV是水下航行器的发射功率，Q1是Marcum Q函数；
水下航行器悬停点位置模型为：
Figure FDA0003244831520000021
s.t.d1+d2≥dSD
d1≤dSD
d2≤dSD
其中，dSD为水下传感器节点和相应的水面汇聚节点之间的距离；
利用水下航行器悬停点位置模型确定水下航行器悬停点位置的过程包括：
将水下传感器节点的参数代入水下航行器悬停点位置优化模型中进行求解，即可得出水下传感器节点到水下航行器之间的距离d1和水下航行器到相应水面汇聚节点的距离d2；通过d1、d2，即可得知水下航行器中继转发水下传感器节点数据时的悬停点位置。
2.根据权利要求1所述的水下传感器数据采集方法，其特征在于，水下航行器中继模型包括：多个水面汇聚节点、一个水下航行器及多个水下传感器节点，其中：水面汇聚节点通过将水下航行器作为中继节点，来采集水下传感器节点的数据。
3.根据权利要求1所述的水下传感器数据采集方法，其特征在于，若水下航行器中继转发水下传感器节点数据时的悬停点位置具有多个，则采用随机方法任选一个作为悬停点位置。
4.根据权利要求1所述的水下传感器数据采集方法，其特征在于，步骤S3中的路径规划算法包括遗传算法或模拟退火算法。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的水下传感器数据采集方法，其特征在于，步骤S4包括：水下航行器在数据采集过程中，沿运动路线到达某一个悬停点后停止运动，水下航行器将停止运动时所在的悬停点对应的水下传感器节点的数据中继转发到水面汇聚节点，待数据采集完毕后，水下航行器沿着运动路线，运动到下一个悬停点的位置，去采集下一个水下传感器节点的数据，直至所有水下传感器节点的数据都采集完毕。
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