CN112954642B - 一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法 - Google Patents

一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法，所有节点周期性产生并广播控制包，在有数据包要转发时，节点将控制包的信息嵌入数据包包头，进而减少控制开销，所有节点在本地建有本地分簇信息表，水声网络中有控制包要发送，更新本地分簇信息表，将该控制包广播出去，经过判断与更新，直到网络所有节点完成分簇或分簇更新。本发明以轻量级控制包或将控制信息置于数据包头的方式，实现对动态网络的有效感知，使得簇中心朝着节点密集、链路质量良好的区域移动，提升了分簇协议能量利用率，延长网络运行时间。

Description

一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法
技术领域
本发明涉及水声传感器网络技术领域，具体是水声传感器网络分簇方法。
背景技术
水声传感器网络作为一种海洋传感信息汇聚与收集的重要技术手段已经越来越多得引起研究学者的兴趣。在水声传感器网络中，传感器节点通常被部署于二维海底或者三维海洋空间中。在三维海洋拓扑中目的节点，即sink节点锚定于海面作为水下信息的汇聚中心。水声传感器网络分簇技术利用水下传感信息的相关性，通过将网络划分为簇结构，并在每一簇内聚合数据来降低冗余数据包的传输，因此有效降低网络流量负担以及提高能量利用效率。
水声传感器网络借助水声信号进行信息包的交互以及协议的运行，因此在设计分簇协议时面临以下难题：1)水声链路的不可靠性。由信道时变空变特性引起的信号不确定性失真以及由水声信号低传播时延引发的潜在性传输冲突域，是数据包传输不可靠性的主要原因。2)传感器节点能量受限性。由于水下传感器节点电池不易替换与充电，且水声换能器的发射功率相对很高，因此传感器节点的能耗是网络协议设计时考虑的重点。3)拓扑随机变化性。由于传感器节点会随洋流移动，以及由节点失效(能量耗尽)引发的网络拓扑变化，要求分簇协议需预备较大的控制开销。
现有水声传感器网络分簇协议并未能有效的解决以上难题，最重要的原因是这些协议仍套用了陆地无线传感器网络分簇思想。陆地无线传感器网络具有可靠的传输能力且拓扑稳定，因此常常采用先分簇过程与数据传输分离的方法(如HEED、LEACH以及其改进的协议)，这种分簇结构在动态变化的水声传感器网络中会产生很大的控制开销。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法，提出一种适合于大规模静态二维或三维水声网络的分簇算法，在满足传统对分簇算法的鲁棒性和可扩展性的要求下，解决传统分簇算法在负载动态水声环境中控制开销大的问题，并以此提高网络能量利用率，进而延长网络寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
步骤1：所有节点周期性产生并广播控制包，在有数据包要转发时，节点将控制包的信息嵌入数据包包头，进而减少控制开销；
所有节点在本地建有本地分簇信息表；
步骤2：设水声网络中某个节点ni有控制包要发送，首先节点ni计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点ni将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后检查本地分簇信息表，判断节点ni是否有归属簇；如果分簇信息表中簇ID为0，表示节点ni不属于任何簇，继续步骤3；如果分簇信息表中簇ID不为0，表示节点ni有归属簇，继续步骤4；
步骤3：此时节点ni不属于任何簇，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表：
步骤4：此时节点ni有归属的簇，设簇ID为cidi，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表：
步骤5：节点ni将本地分簇信息表中的“所属簇ID”写入控制包“簇ID”字段中，将所属簇的X坐标和Y坐标写入控制包中簇坐标对应字段中，然后将该控制包广播出去；
步骤6：若网络中某节点nj接收到来自节点ni的控制包，节点nj首先更新节点位置坐标，计算更新后的节点坐标与所属簇坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离所属的簇，此时节点nj将本地分簇信息表中“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点nj将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；
之后节点nj读取来自节点ni控制包中的各字段，进行以下操作：如果节点nj不归属于任何簇，计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj未被包含在簇cidi中，此时不做任何操作；如果距离小于等于簇半径R_clu，说明节点nj被包含在簇cidi中，此时节点nj将控制包中的簇IDcidi写入本地分簇信息表的“所属簇ID”中，将控制包的簇坐标写入本地分簇信息表的“所属簇X坐标”和“所属簇Y坐标”中，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；
如果节点nj有归属簇，设簇ID为cidj，如果cidj＝cidi，说明节点nj与节点ni归属于同一簇，此时节点nj计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离更新后的簇，则直接将本地分簇信息表的所属簇ID置0；如果距离小于等于簇半径R_clu，节点nj将本地分簇信息表中的所属簇坐标替换为控制包的簇坐标，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；如果cidj≠cidi，说明节点nj与节点ni归属于不同的簇，判断是否满足下面任一条件：
1)节点nj的坐标与所属簇cidj的坐标相同，认为簇cidj是一个单节点簇；
2)节点nj计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，得到时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，认为簇cidj中其它节点不能正常工作；
若满足任一条件，则节点nj将本地分簇信息表中的所属簇ID换为cidi，所属簇坐标替换为cidi的簇坐标，然后将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤7；若任一条件均不满足，则不做任何操作；
步骤7：此时节点nj接收到控制包并完成分簇信息的更新，当节点nj有控制包要发送，此时接收节点nj变为发送节点ni，下一跳接收到控制包的节点变为nj，完成由接收方到发送方角色的转变，继续步骤2，直到网络所有节点完成分簇或分簇更新。
所述控制包格式如下：
簇ID 簇的X坐标 簇的Y坐标
其中，簇ID为正整数，作为网络中每个簇的唯一标识由产生簇的节点和时间决定；簇坐标中簇的X坐标和簇的Y坐标是指向簇的圆心位置，由簇内所有节点动态维护，但簇坐标指向的位置不一定有节点。
所有本地建有本地分簇信息表格式如下：
节点X坐标 节点Y坐标 所属簇ID 所属簇X坐标 所属簇Y坐标 簇活跃时刻Λ
其中，节点坐标由自定位算法得到；所属簇ID为正整数时表示节点所归属簇的ID，所属簇ID为0时表示节点不归属于任何簇；簇活跃时刻Λ表示上一次所属簇内任一节点发送数据包的时间点。
所述步骤3中，按照节点硬件信息与当前时间生成簇ID，并将生成的簇ID填入本地分簇信息表中的“所属簇ID”项中；更新节点位置坐标并将所属簇坐标设置为更新后的节点坐标；将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤5；
所述步骤4中，更新本地分簇信息表的步骤为：
更新节点ni位置坐标，计算更新后的节点ni的坐标与所属簇cidi的坐标之间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，认为节点ni脱离簇cidi，此时节点ni将所属簇cidi置0，转到步骤3；如果距离小于等于簇半径R_clu，按照公式(1)计算所属簇cidi的坐标并填入本地分簇信息表中，然后将当前时间写入“簇活跃标志Λ”中；继续步骤5；
Figure BDA0002955666170000041
其中，
Figure BDA0002955666170000042
为簇cidi更新前的坐标向量；
Figure BDA0002955666170000043
为簇cidi更新后的坐标向量；
Figure BDA0002955666170000044
为节点ni坐标向量；mu为更新步长，表示坐标向量的最大更新幅度；R_clu是簇半径，为常数；d为差向量
Figure BDA0002955666170000045
的模值。
本发明的有益效果在于以轻量级控制包或将控制信息置于数据包头的方式，实现对动态网络的有效感知，使得簇中心朝着节点密集、链路质量良好的区域移动，提升了分簇协议能量利用率，延长网络运行时间。
附图说明
图1是本发明二维水声传感器网络拓扑结构。
图2是本发明OPNET的100节点初始网络场景。红框所在为仿真运行传感器后节点部署范围，编号1001的节点为固定sink节点。
图3为本发明(RAD)与对比协议LEACH与ACUN的能量利用率对比曲线。
图4为本发明(RAD)与对比协议LEACH以及ACUN的节点死亡速度对比柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明适用于节点移动幅度较小的静态二维或三维水声网络，二维网络与三维网络的具体实施方案完全相同，下面以二维水声网络为例。
如图1为二维水声网络结构图，所有节点随机部署在指定海域，但由于水流运动的影响，节点会小幅度地移动。所有节点会配备相同的声调制解调器，用于节点间的通信。当所有节点获取到所归属簇的信息，并能够实时更新分簇，则认为网络分簇完成。
节点间通过基于水声信号处理的自定位算法(例如三边测量法)得到位置坐标并实时进行更新，通过时间同步算法(例如NTP)得到本地时间。
具体实施步骤：
步骤1：所有节点周期性产生并广播如下表格式的控制包，在有数据包要转发时，节点将控制包的信息嵌入数据包包头，进而减少控制开销；
簇ID 簇的X坐标 簇的Y坐标
其中，簇ID为正整数，作为网络中每个簇的唯一标识由产生簇的节点和时间决定；簇坐标中簇的X坐标和簇的Y坐标是指向簇的圆心位置，由簇内所有节点动态维护，但簇坐标指向的位置不一定有节点；
所有节点在本地建有本地分簇信息表，表格式如下：
节点X坐标 节点Y坐标 所属簇ID 所属簇X坐标 所属簇Y坐标 簇活跃时刻Λ
其中，节点坐标由自定位算法得到；所属簇ID为正整数时表示节点所归属簇的ID，所属簇ID为0时表示节点不归属于任何簇；簇活跃时刻Λ表示上一次所属簇内任一节点发送数据包的时间点；
步骤2：设水声网络中某个节点ni有控制包要发送，首先节点ni计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点ni将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后检查本地分簇信息表，判断节点ni是否有归属簇；如果分簇信息表中簇ID为0，表示节点ni不属于任何簇，继续步骤3；如果分簇信息表中簇ID不为0，表示节点ni有归属簇，继续步骤4；
步骤3：此时节点ni不属于任何簇，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表：
按照节点硬件信息与当前时间生成簇ID，并将生成的簇ID填入本地分簇信息表中的“所属簇ID”项中；更新节点位置坐标并将所属簇坐标设置为更新后的节点坐标；将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤5；
步骤4：此时节点ni有归属的簇，设簇ID为cidi，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表：
更新节点ni位置坐标，计算更新后的节点ni的坐标与所属簇cidi的坐标之间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，认为节点ni脱离簇cidi，此时节点ni将所属簇cidi置0，转到步骤3；如果距离小于等于簇半径R_clu，按照公式(1)计算所属簇cidi的坐标并填入本地分簇信息表中，然后将当前时间写入“簇活跃标志Λ”中；继续步骤5；
Figure BDA0002955666170000051
其中，
Figure BDA0002955666170000061
为簇cidi更新前的坐标向量；
Figure BDA0002955666170000062
为簇cidi更新后的坐标向量；
Figure BDA0002955666170000063
为节点ni坐标向量；mu为更新步长，表示坐标向量的最大更新幅度；R_clu是簇半径，为常数；d为差向量
Figure BDA0002955666170000064
的模值；
步骤5：节点ni将本地分簇信息表中的“所属簇ID”写入控制包“簇ID”字段中，将所属簇的X坐标和Y坐标写入控制包中簇坐标对应字段中，然后将该控制包广播出去；
步骤6：若网络中某节点nj接收到来自节点ni的控制包，节点nj首先更新节点位置坐标，计算更新后的节点坐标与所属簇坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离所属的簇，此时节点nj将本地分簇信息表中“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点nj将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；
之后节点nj读取来自节点ni控制包中的各字段，进行以下操作：如果节点nj不归属于任何簇，计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj未被包含在簇cidi中，此时不做任何操作；如果距离小于等于簇半径R_clu，说明节点nj被包含在簇cidi中，此时节点nj将控制包中的簇IDcidi写入本地分簇信息表的“所属簇ID”中，将控制包的簇坐标写入本地分簇信息表的“所属簇X坐标”和“所属簇Y坐标”中，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；
如果节点nj有归属簇，设簇ID为cidj，如果cidj＝cidi，说明节点nj与节点ni归属于同一簇，此时节点nj计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离更新后的簇，则直接将本地分簇信息表的所属簇ID置0；如果距离小于等于簇半径R_clu，节点nj将本地分簇信息表中的所属簇坐标替换为控制包的簇坐标，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；如果cidj≠cidi，说明节点nj与节点ni归属于不同的簇，判断是否满足下面任一条件：
1)节点nj的坐标与所属簇cidj的坐标相同，认为簇cidj是一个单节点簇；
2)节点nj计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，得到时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，认为簇cidj中其它节点不能正常工作；
若满足任一条件，则节点nj将本地分簇信息表中的所属簇ID换为cidi，所属簇坐标替换为cidi的簇坐标，然后将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤7；若任一条件均不满足，则不做任何操作；
步骤7：此时节点nj接收到控制包并完成分簇信息的更新，当节点nj有控制包要发送，此时接收节点nj变为发送节点ni，下一跳接收到控制包的节点变为nj，完成由接收方到发送方角色的转变，继续步骤2，直到网络所有节点完成分簇或分簇更新。
本发明使用OPNET仿真软件对所提分簇协议进行仿真分析。网络拓扑如图2，将60到100个传感器节点随机部署于1km×1km的垂直二维海域，节点深度范围在0到1km之间；部署sink节点在海面中央。所有传感器节点周期性产生数据包，并将发明方案中所提的控制消息置于包头，数据包生成间隔服从均值为60s的泊松分布，同时设定每一轮为60s。由PER(Packet Error Ratio，数据包出错率)作为水声链路随机中断的概率，来模拟水声链路时变空变特性。在分簇协议的运行过程中随机生成簇头进行簇内数据包汇聚以及簇间的数据包传输。设置水声传感器节点发射功率为1.67W，接收功率设为0；节点平均移动速度为3m/s，其余仿真参数见表1：
表1
Figure BDA0002955666170000071
图3为图为传感器节点能量利用率随传感器节点数量的变化曲线。传感器节点能量利用率可以表示为：
Figure BDA0002955666170000072
即网络每消耗1J能量能将传感数据包成功传输到sink的平均数量。
由图可知，相较于LEACH与ACUN等传统分簇协议，本发明(即RAD)具有更高的能量利用率，这是由于本发明能够快速根据网络拓扑变化实时更新簇状态，并将数据传输与簇更新过程绑定在一起来提高分簇的收敛速度。
图4为在传感器节点数量设为100时，在取不同PER值下比较各协议中节点死亡速度的柱状图。由图可得，本发明所提的协议大大减缓节点死亡速度，因此能够有效延长网络寿命。

Claims (3)

1.一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：所有节点周期性产生并广播控制包，在有数据包要转发时，节点将控制包的信息嵌入数据包包头；
所有节点在本地建有本地分簇信息表；
步骤2：设水声网络中某个节点ni有控制包要发送，首先节点ni计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点ni将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后检查本地分簇信息表，判断节点ni是否有归属簇；如果分簇信息表中簇ID为0，表示节点ni不属于任何簇，继续步骤3；如果分簇信息表中簇ID不为0，表示节点ni有归属簇，继续步骤4；
步骤3：此时节点ni不属于任何簇，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表，并进入步骤5；
其中，按照节点硬件信息与当前时间生成簇ID，并将生成的簇ID填入本地分簇信息表中的“所属簇ID”项中；更新节点位置坐标并将所属簇坐标设置为更新后的节点坐标；将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤5；
步骤4：此时节点ni有归属的簇，设簇ID为cidi，在发送控制包前节点ni首先更新本地分簇信息表，并进入步骤5；
更新本地分簇信息表的步骤为：
更新节点ni位置坐标，计算更新后的节点ni的坐标与所属簇cidi的坐标之间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，认为节点ni脱离簇cidi，此时节点ni将所属簇cidi置0，转到步骤3；如果距离小于等于簇半径R_clu，按照公式(1)计算所属簇cidi的坐标并填入本地分簇信息表中，然后将当前时间写入“簇活跃标志Λ”中；继续步骤5；
Figure FDA0003458639580000011
其中，
Figure FDA0003458639580000012
为簇cidi更新前的坐标向量；
Figure FDA0003458639580000013
为簇cidi更新后的坐标向量；
Figure FDA0003458639580000014
为节点ni坐标向量；mu为更新步长，表示坐标向量的最大更新幅度；R_clu是簇半径，为常数；d为差向量
Figure FDA0003458639580000015
的模值；
步骤5：节点ni将本地分簇信息表中的“所属簇ID”写入控制包“簇ID”字段中，将所属簇的X坐标和Y坐标写入控制包中簇坐标对应字段中，然后将该控制包广播出去；
步骤6：若网络中某节点nj接收到来自节点ni的控制包，节点nj首先更新节点位置坐标，计算更新后的节点坐标与所属簇坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离所属的簇，此时节点nj将本地分簇信息表中“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；然后计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，若时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，节点nj将“所属簇ID”置0，否则不做任何修改；
之后节点nj读取来自节点ni控制包中的各字段，进行以下操作：如果节点nj不归属于任何簇，计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R-clu，说明节点nj未被包含在簇cidi中，此时不做任何操作；如果距离小于等于簇半径R_clu，说明节点nj被包含在簇cidi中，此时节点nj将控制包中的簇IDcidi写入本地分簇信息表的“所属簇ID”中，将控制包的簇坐标写入本地分簇信息表的“所属簇X坐标”和“所属簇Y坐标”中，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；
如果节点nj有归属簇，设簇ID为cidj，如果cidj＝cidi，说明节点nj与节点ni归属于同一簇，此时节点nj计算节点nj的坐标与控制包中簇cidi坐标间的距离，如果距离大于簇半径R_clu，说明节点nj脱离更新后的簇，则直接将本地分簇信息表的所属簇ID置0；如果距离小于等于簇半径R_clu，节点nj将本地分簇信息表中的所属簇坐标替换为控制包的簇坐标，将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，之后继续步骤7；如果cidj≠cidi，说明节点nj与节点ni归属于不同的簇，判断是否满足下面任一条件：
1)节点nj的坐标与所属簇cidj的坐标相同，认为簇cidj是一个单节点簇；
2)节点nj计算当前时间与本地分簇信息表中“簇活跃时刻Λ”的时差，得到时差大于节点更新时限REFRSH_THROD，认为簇cidj中其它节点不能正常工作；
若满足任一条件，则节点nj将本地分簇信息表中的所属簇ID换为cidi，所属簇坐标替换为cidi的簇坐标，然后将当前时间写入“簇活跃时刻Λ”中，继续步骤7；若任一条件均不满足，则不做任何操作；
步骤7：此时节点nj接收到控制包并完成分簇信息的更新，当节点nj有控制包要发送，此时接收节点nj变为发送节点ni，下一跳接收到控制包的节点变为nj，完成由接收方到发送方角色的转变，继续步骤2，直到网络所有节点完成分簇或分簇更新。
2.根据权利要求1所述的一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法，其特征在于：
所述控制包格式如下：
簇ID 簇的X坐标 簇的Y坐标
其中，簇ID为正整数，作为网络中每个簇的唯一标识由产生簇的节点和时间决定；簇坐标中簇的X坐标和簇的Y坐标是指向簇的圆心位置，由簇内所有节点动态维护，但簇坐标指向的位置不一定有节点。
3.根据权利要求1所述的一种适应复杂动态水声传感器网络的分簇方法，其特征在于：
所有本地建有本地分簇信息表格式如下：
节点X坐标 节点Y坐标 所属簇ID 所属簇X坐标 所属簇Y坐标 簇活跃时刻Λ
其中，节点坐标由自定位算法得到；所属簇ID为正整数时表示节点所归属簇的ID，所属簇ID为0时表示节点不归属于任何簇；簇活跃时刻Λ表示上一次所属簇内任一节点发送数据包的时间点。
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