CN114390469B - 基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法,属于水声信号通讯技术领域。基于三维柱状水声传感器网络结构,在水平层面上采用改进的LEACH算法进行分簇,处于同一层次的节点将数据传送给簇头节点。基于该网络结构,联合物理层的传输功率、数据链路层的数据传输流量、网络层的数据传输路径,进行跨层协作,通过对三层的信息进行联合考虑获得使该网络结构能耗最低的传输方案。最后采用时分多址技术和传输方案,计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数,使得节点间尽量负载均衡,降低网络能耗。本发明能够有效应对水声无线传感器网络能量受限的环境,延长网络的寿命。
Description
技术领域
本发明属于水声信号通讯技术领域,具体地说,涉及一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法。
背景技术
水声无线传感器网络在海洋数据收集、污染监测、灾难预报、辅助导航以及水下军事防御等方面都有着十分广泛的应用。组成水声无线传感器网络的传感器节点依靠电池供电,但部署在水下的传感器节点电池容量有限,因此,如何延长水声无线传感器网络的寿命成为当前研究的热点。
网络分簇是延长网络寿命的有效方法,基于LEACH的水声无线传感器网络分簇算法能随机选取簇头节点,簇头节点具有数据融合处理的功能,能够减少网络的信息传输量,但LEACH算法簇头的选择是随机的,且随机产生簇头并没有考虑到节点的剩余能量,因而无法控制簇头节点的位置分布,这样可能会导致网络节点能耗不均,出现一些节点过早死亡的现象。基于传统的无线传感器网络协议栈的分层结构来进行如物理层的功率控制、数据链路层的流量控制等,以网络中某单一协议层的性能最优化为目标,来降低单一协议层的能耗也是目前常用的延长网络寿命方法,但是由于其严格的协议栈分层,导致层与层之间信息难以共享,这就可能会引起对等层间的通信开销以及信息的冗余,进而导致网络能耗的增加。基于等长时隙划分的TDMA协议经常被应用于水声无线传感器网络,网络规模较小时其对降低网络能耗有一定作用,但随着网络规模增大,汇聚节点的邻节点的数据负载量和能耗将增大,进而会导致网络寿命的降低。
可以看出,上述的方法虽然可以在一定程度上提升水声无线传感器网络的能量效率,但也同样存在着一些问题,而且,由于水声信道的特殊性,对其应用传统的分层结构来降低能耗是远远不够的,而上述大多数方法仅对单层网络协议栈进行优化设计,因此其对网络性能的提升相当有限。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于跨层协作的三维柱状水声无线传感器网络的寿命延长方法,以弥补现有技术的不足。
为实现上述发明目的,本发明采用下述技术方案予以实现:
一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法,包括以下步骤:
S1:接收水声信号,建立三维柱状水声无线传感器网络结构;
S2:基于S1的网络结构,网络中各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,每个水平层面选举出一个簇头,同一水平层面内的其他节点加入该簇,形成簇头节点;
S3:所述簇头节点联合物理层的传输功率、数据链路层的数据传输流量、网络层的数据传输路径,进行跨层协作,获得使该层网络结构能耗最低的传输方案;
S4:基于S1和S3中的网络结构和传输方案,采用TDMA技术,计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数,即建立了时隙分配;
S5:垂直层面各层簇头节点组播S3和S4中的传输方案和时隙分配,水平层面处于同一层次的节点将数据传送给簇头节点,各层簇头节点通过多跳的方式将数据传送给水面的基站;
S6:当S5结束后,判断各层簇头的剩余能量是否低于阈值,若是,则返回S2重新选举簇头,否则返回S3继续按步骤执行;
S7:所述水声信号通过上述三维柱状水声无线传感器网络结构进行处理,输出。
进一步的,所述S1中,建立三维柱状水声无线传感器网络结构模型:
三维柱状水声无线传感器网络结构由多层集群组成,部署在离海面不同的深度;每个集群进一步由水平平面上若干数量的节点组成,节点距柱中心的最大距离为米;在三维柱状水声无线传感器网络中,多个这样的簇集群垂直排列在彼此下方,两个连续簇集群之间的垂直距离用米表示,圆柱的总深度用米表示,圆柱的总深度用米表示,圆柱半径用米表示;从顶部到底部,网络的各层被表示为深度1、深度2、深度3等等;网络中的总深度由T表示,节点的地址配置为TXX其中T表示深度数,XX表示两位数的节点编号;上述网络中所有传感器节点的位置固定,且部署时已配备其位置信息。
进一步的,所述S2具体如下:
S2-1:阈值T(n)的计算:
各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,算法执行的每个周期中,在簇头选举阶段,每个节点会随机产生一个(0,1)之间的随机值,将产生的值与阈值T(n)进行比较,如果小于阈值,该节点将成为簇头节点;阈值T(n)的计算如下所示:
其中,为该水平层面网络中节点的数目,为簇头节点数与节点总数的比值,表示已经进行的轮数,表示在当前轮次中已经做过簇头的节点个数;为这轮循环中未当选簇头节点的集合;代表连续没有当选过簇首的轮次,一旦当选为簇首节点,重置为;表示节点当前剩余能量,表示节点初始的总能量;
S2-2:各个水平层面根据阈值T(n)选举出簇头后,同一水平层面内的其他节点加入该簇。
进一步的,所述S3具体如下:
S3-1:建立三维柱状水声无线传感器网络寿命最大化模型:
假设网络中每个公共节点具有相同的初始能量储备,将三维柱状水声无线传感网络的生存期定义为任意单个节点的最小寿命,因此最大化网络寿命等于最小化所有普通节点的最大能耗,记为,那么网络寿命的最大化模型可表示为:
S3-2:建立物理层的传输功率与信道容量的限制关系:
水声信道中的信噪比函数可表示为:
S3-3:建立数据链路层的传输流量限制关系:
所有的传感数据都应该转发到簇头节点,所以传输流量限制关系可表示为:
其中,代表一个时隙内,节点到节点传输的数据量,且;是向节点传输数据节点的集合,表示向节点传输数据的任一节点,是节点传出数据节点的集合,表示节点传出数据的任一节点。表示节在一个时隙内生成传感数据的比特数;
S3-4:建立网络层的数据传输路径限制关系:
进一步的,所述S4具体如下:
本发明的优点和技术效果如下:
本发明基于构建的三维柱状水声无线传感器网络模型,首先使用LEACH-DEECF算法进行簇头选举,簇头节点进行同水平层面簇成员的数据融合处理,减少了网络的信息传输量。其次联合网络协议栈中三层的信息进行跨层协作,利用层与层之间信息的交互,减少了对等层间的通信开销以及信息的冗余,进而降低了网络的能耗。最后采用TDMA技术,针对性的计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数,使得网络节点间尽量负载均衡。
本发明能够有效应对水声无线传感器网络能量受限的特殊环境,降低网络能耗,延长网络的寿命。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的整体流程图。
图2是本发明的一种实施例的三维柱状水声无线传感器网络结构。
图3是本发明的一种实施例的选举出簇头后网络水平层面结构图。
图4是本发明的一种实施例的垂直层面各层簇头节点将数据传送给水面基站示意图。
图5是本发明的一种实施例的使用该方法与使用单层优化方法的网络剩余能量仿真结果对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下将结合附图和实施例,对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
水声无线传感器网络部署在水下工作时,组成水声无线传感器网络的传感器节点电池容量有限,且供电电池无法更换,又因为水声信道复杂多变,信号在水下传输路损严重,为获取稳定的信号而增加发射功率进一步增加了网络的能量损耗,考虑单层协议栈的优化获取的网络性能提升有限,因此可通过跨层协作的方式充分利用层与层之间信息交互,来消除对等层间存在冗余的通信开销,获得更长的网络寿命。
基于TDMA的簇头信息融合水声无线传感器网络具有较长的网络生存周期,其主要步骤为:首先使用LEACH算法进行簇头选举,簇头节点进行同水平层面簇成员的数据融合。然后在数据链路层采用TDMA技术,为每个传输数据的节点划分等长的时隙大小。但水声无线传感器网络能量受限,当前水声无线传感器网络寿命延长方法存在网络节点间能耗不均、层与层之间信息难以共享、对等层间存在冗余的通信开销等问题。如何有效应对水声无线传感器网络能量受限的特殊环境,降低网络能耗,延长网络的寿命,是本实施例所要解决的技术问题。
本实施例提出了一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法,其整体流程图如图1所示,包括以下步骤:
S1:建立三维柱状水声无线传感器网络结构,具体步骤如下:
S1-1:建立三维柱状水声无线传感器网络结构模型:
三维柱状水声无线传感器网络结构由多层集群组成,部署在离海面不同的深度;每个集群进一步由水平平面上若干数量的节点组成,节点距柱中心的最大距离为米;在三维柱状水声无线传感器网络中,多个这样的簇集群垂直排列在彼此下方,两个连续簇集群之间的垂直距离用米表示,圆柱的总深度用米表示,圆柱的总深度用米表示,圆柱半径用米表示;从顶部到底部,网络的各层被表示为深度1、深度2、深度3等等;网络中的总深度由T表示,节点的地址配置为TXX,其中T表示深度数,XX表示两位数的节点编号;上述网络中所有传感器节点的位置固定,且部署时已配备其位置信息,该三维柱状水声无线传感器网络结构如图2所示。
例如,BS是海面的基站,其深度为1,节点编号为00,故它的地址编号为100。深度为2的水平层面所有网络节点地址逆时针依次编号为200-206。同理,深度为2的水平层面所有网络节点地址逆时针依次编号为300-306,深度为3的水平层面所有网络节点地址逆时针依次编号为400-406。深度为4的水平层面所有网络节点地址逆时针依次编号为500-506。
S2:基于S1的网络结构,网络中各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,每个水平层面选举出一个簇头,同一水平层面内的其他节点加入该簇,具体步骤如下:
S2-1:阈值T(n)的计算:
各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,算法执行的每个周期中,在簇头选举阶段,每个节点会随机产生一个(0,1)之间的随机值,将产生的值与阈值T(n)进行比较,如果小于阈值,该节点将成为簇头节点。阈值T(n)的计算如下所示:
其中,为该水平层面网络中节点的数目,为簇头节点数与节点总数的比值,表示已经进行的轮数,表示在当前轮次中已经做过簇头的节点个数;为这轮循环中未当选簇头节点的集合;代表连续没有当选过簇首的轮次,一旦当选为簇首节点,重置为;表示节点当前剩余能量,表示节点初始的总能量。
S2-2:各个水平层面根据阈值T(n)选举出簇头后,同一水平层面内的其他节点加入该簇。
选举出簇头后网络水平层面结构图如图3所示,CH1、CH2、CH3和CH4为四个不同深度水平层面选举出的簇头节点,其深度分别为2、3、4和5,它们的节点编号为00,故簇头节点的地址编号为200、300、400和500。
S3:各簇头节点联合物理层的传输功率、数据链路层的数据传输流量、网络层的数据传输路径,进行跨层协作,获得使该层网络结构能耗最低的传输方案。具体步骤如下:
S3-1:建立三维柱状水声无线传感器网络寿命最大化模型:
假设网络中每个公共节点具有相同的初始能量储备,我们将三维柱状水声无线传感网络的生存期定义为任意单个节点的最小寿命,因此最大化网络寿命等于最小化所有普通节点的最大能耗,记为,那么网络寿的命最大化模型可表示为:
S3-2:建立物理层的传输功率与信道容量的限制关系:
水声信道中的信噪比函数可表示为:
S3-3:建立数据链路层的传输流量限制关系:
所有的传感数据都应该转发到簇头节点,所以传输流量限制关系可表示为:
其中,代表一个时隙内,节点到节点传输的数据量,且;是向节点传输数据节点的集合,表示向节点传输数据的任一节点,是节点传出数据节点的集合,表示节点传出数据的任一节点。表示节在一个时隙内生成传感数据的比特数。
进一步的,对于三维柱状水声无线传感器网络同一水平层面或垂直层面中的所有链路,可以定义L×1的链路流量矢量,是链路链接的总数,定义为维的部分连通矩阵,由,组成,其中为公共节点总数。则上式中的传输流量限制关系可以用矩阵形式表示为:
S3-4:建立网络层的数据传输路径限制关系:
S4:基于S1和S3中的网络结构和传输方案,采用TDMA技术,计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数,具体步骤如下:
S5:垂直层面各层簇头节点组播S3和S4中的传输方案和时隙分配,水平层面处于同一层次的节点将数据传送给簇头节点,各层簇头节点通过多跳的方式将数据传送给水面的基站,垂直层面各层簇头节点将数据传送给水面基站示意图如图4所示。例如,图4数据链路层的传输流量限制可用矩阵求解,具体如下:
为方便表示,现将传输流量的解记为:
S6:当S5结束后,判断各层簇头的剩余能量是否低于阈值,若是,则返回S2重新选举簇头,否则返回S3继续按步骤执行。
使用基于跨层协作的三维柱状水声无线传感器网络的方法和使用单层优化的方法网络剩余能量的仿真结果对比如图5所示,从仿真结果可以看出,基于跨层协作的三维柱状水声无线传感器网络能够有效的降低网络能耗,延长网络的寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其进行限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的普通技术人员来说,依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:接收水声信号,建立三维柱状水声传感器网络结构;
S2:基于S1的网络结构,网络中各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,每个水平层面选举出一个簇头,同一水平层面内的其他节点加入该簇,形成簇头节点;
S3:所述簇头节点联合物理层的传输功率、数据链路层的数据传输流量、网络层的数据传输路径,进行跨层协作,获得使该层网络结构能耗最低的传输方案;
S4:基于S1和S3中的网络结构和传输方案,采用TDMA技术,计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数,即建立了时隙分配;
S5:垂直层面各层簇头节点组播S3和S4中的传输方案和时隙分配,水平层面处于同一层次的节点将数据传送给簇头节点,各层簇头节点通过多跳的方式将数据传送给水面的基站;
S6:当S5结束后,判断各层簇头的剩余能量是否低于阈值,若是,则返回S2重新选举簇头,否则返回S3继续按步骤执行;
S7:所述水声信号通过上述三维柱状水声传感器网络结构进行处理,输出;
所述S3具体如下:
S3-1:建立三维柱状水声传感器网络寿命最大化模型为:
S3-2:建立物理层的传输功率与信道容量的限制关系:
水声信道中的信噪比函数表示为:
S3-3:建立数据链路层的传输流量限制关系:
所有的传感数据都应该转发到簇头节点,所以传输流量限制关系表示为:
S3-4:建立网络层的数据传输路径限制关系:
所述S4具体如下:
3.如权利要求1所述的寿命延长方法,其特征在于,所述S2具体如下:
S2-1:阈值T(n)的计算:
各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举,算法执行的每个周期中,在簇头选举阶段,每个节点会随机产生一个(0,1)之间的随机值,将产生的值与阈值T(n)进行比较,如果小于阈值,该节点将成为簇头节点;阈值T(n)的计算如下所示:
其中,为该水平层面网络中节点的数目,为簇头节点数与节点总数的比值,表示已经进行的轮数,表示在当前轮次中已经做过簇头的节点个数;为这轮循环中未当选簇头节点的集合;代表连续没有当选过簇首的轮次,一旦当选为簇首节点,重置为;表示节点当前剩余能量,表示节点初始的总能量;
S2-2:各个水平层面根据阈值T(n)选举出簇头后,同一水平层面内的其他节点加入该簇。
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