一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法，包括下列步骤：播撒于目标水域表面的节点以水面的sink节点为簇头成簇，并由簇头节点根据节点间的距离按照由近及远的顺序进行编号，并按照编号的顺序依次进行沉降；沉降时判断是否存在下沉空间，如果下沉空间大于节点感知半径r，小于计算所得下沉距离，则改变下沉距离为r；若下沉空间小于节点感知半径，则从已有的深度值中选择一个距离最远的深度值作为自己的下沉深度；簇内节点沉降结束后，每个节点选择深度小于自己且与相连的节点作为父节点，自己作为子节点；采用遍历的方法对节点覆盖进行优化；节点移动到最优位置并更新自己周围邻居节点集信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法
本专利技术涉及水下传感器网络中节点部署设计方法。
技术介绍
近年来，水下声学传感器网络(UnderwaterAcousticSensorNetworks,UASNs)成为新的研究热点之一。UASNs的应用推进了对海洋环境的研究，对经济、科研、军事等领域都具有重大意义。然而，与传统陆上无线传感器网络不同，水下传感器网络采用的通信方式为声通信，且通信方向为全向型，而水下向不同方向进行通行时所消耗的能量差别很大；同时节点部署作为传感器网络的底层部分，不仅关系到网络的覆盖率，连通率等性能，还会直接影响到后续的信息收发效率，协议的选择等等。同时，由于网络中传感器节点能量有限且不易更换，因此如何有效的保持网络的覆盖效果也是一个非常重要的问题。所以，如何有效的部署节点使得传感器网络的基础性能达到最优，并通过合理的方式有效的保持成为亟待解决的问题。已有的一些节点部署方法中，有的仅考虑节点对目标区域的覆盖，通过定向移动实现覆盖最大化；或通过节点的逐步移动保证节点间的连通，最终形成立体覆盖的过程。水声节点中基于深度可调节节点相对于遥控水下机器人或自主水下航行器(ROVs，AUVs)等造价昂贵的节点来说，功能更实用，性价比更高。同时，在以监测为目的的水下传感器网络中，有效覆盖率是衡量网络监测效果的重要指标，由网络的覆盖和连通共同决定。其中良好的覆盖是网络对目标区域进行全面、准确的信息采集的基础，连通性能的好坏直接决定了节点收集的信息能否有效传输至数据中心，因此对覆盖和连通的联合优化就成为提升网络有效覆盖率的关键。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于深度可调节节点的有效传感器节点部署和覆盖保持方法，通过对节点的有效部署实现传感器网络监测性能的最优，同时通过有效的节点休眠和唤醒机制维持网络的监测效果。技术方案如下：一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法，包括下列步骤：1)播撒于目标水域表面的节点以水面的sink节点为簇头成簇，并由簇头节点根据节点间的距离按照由近及远的顺序进行编号，并按照编号的顺序依次进行沉降，节点ni+1下沉计算公式为：depthi+1＝depthi+d(i,i+1)；其中d(i,i+1)为节点ni和ni+1间的距离。2)沉降时判断是否存在下沉空间，如果下沉空间大于节点感知半径r，小于计算所得下沉距离，则改变下沉距离为r；若下沉空间小于节点感知半径，则从已有的深度值中选择一个距离最远的深度值作为自己的下沉深度；3)簇内节点沉降结束后，每个节点选择深度小于自己且与相连的节点作为父节点，自己作为子节点；4)采用遍历的方法对节点覆盖进行优化，网络目标优化函数为：其中Vij为节点ni和nj覆盖区域的重叠体积，k为节点ni邻居节点的数量，N为传感器节点总数量；在遍历的过程节点要始终保持自己在监测区域内，并与父节点间距离小于节点通信半径r，在此约束条件下通过求解函数得出节点最优覆盖的位置坐标；5)节点移动到步骤4求得的最优位置并更新自己周围邻居节点集信息，判断是否有信息邻居节点，如果有则重新在自己可移动范围内计算覆盖最优的坐标并移动到相应位置，如果没有则保持位置不变，部署阶段优化结束；6)依次计算每个节点被休眠后网络覆盖率的变化情况，若不发生变化说明该节点网络覆盖冗余度较大，则休眠该节点；7)当有节点低于所设定的能量最低的阈值时，此节点不再转发其他节点数据包，并选择将该节点通信范围内的休眠节点全部唤醒，然后再次执行步骤6)将部分节点休眠来节省网络能耗，通过动态的休眠唤醒机制延长网络的生存时间。优选地，网络覆盖率的计算公式为：cov＝Q/V其中，Q为网络中节点覆盖区域总和，V为监测区域的体积。附图说明图1是本专利技术的网络场景示意图图2是本专利技术树形拓扑形成流程图图3是本专利技术的覆盖优化流程图图4是网络中节点的休眠唤醒以及簇头节点的动态选择流程图具体实施方式本专利技术提出一种有效传感器节点部署和覆盖保持方法：主要利用节点深度可调节特性对如图1所示网络场景中节点的覆盖和连通特性进行联合优化，并通过有效的节点休眠唤醒机制维持网络的覆盖效果，共分为三个阶段完成；第一阶段为通过节点深度调节生成连通树，具体流程如图2所示，其中Depth为目标水域的深度，depthi为节点ni的深度值；第二阶段为节点进行覆盖优化，通过获取邻居节点信息和自身深度可调节范围获得最优位置坐标并移动到相应位置，流程如图3所示；第三阶段为网络中节点的休眠唤醒机制，以及簇头节点的动态选择机制，流程如图4所示。主要步骤如下：1.初始阶段，在目标水域表面放置一定密度的汇聚节点作为传感器网络和数据中心进行数据通信的中介，再由飞机或船舶等方式将普通传感器节点随机均匀的播撒在水域表面。设目标水域深度为Depth，编号为i的节点ni的深度值为depthi，节点ni和ni+1间的距离为d(i,i+1)。2.普通节点选择距离自己最近的sink节点加入，sink节点根据节点位置坐标进行编号，并计算下沉深度，相邻编号节点间距离可依据节点的坐标以及欧拉公式计算得到。当节点ni没有深度继续下沉时，sink节点在深度值集合H＝{h1,h2,...,hk}中选择一个与节点ni平均水平距离最大的深度值作为其下沉深度，减少节点间的覆盖重叠。3.深度调节结束后，节点ni选择深度小于depthi且与自身相连的节点作为父节点，自己作为子节点形成树形拓扑。在节点全连通的基础上，通过对节点位置进行调节优化网络对目标区域的有效覆盖。根据网络的目标优化函数看出只能通过遍历方式进行节点覆盖优化。因此网络按照簇编号顺序进行遍历，簇内则按照节点深度由深及浅的顺序进行遍历。当遍历到节点ni时，节点ni首先通过信息感知自己的邻居节点集，然后在自己可移动范围内计算自己覆盖最优的坐标，并移动到相应位置。4.遍历时每个节点在条件C1.(xi,yi,zi)∈V,和C2.dmin(neighbors′ofni,ni)＜k·r的约束下寻求自身覆盖的最优解。其中C1表示节点要始终位于监测区域内，C2表示节点与其父节点间距离要小于通信半径r。节点最优位置纵坐标计算公式为：其中，V为目标水域，N为传感器节点集，(xi,yi,zi)为节点ni的坐标，k为节点通信半径和感知半径的比，Q为节点ni的邻居节点集。此公式为关于节点纵坐标z的函数，通过求解该函数的最优解即得到节点最优位置纵坐标。5.通过步骤4求得节点部署最优位置坐标并移动，在移动到相应位置后，判断是否周围有新邻居节点加入，若有则继续执行步骤四直到不再有新的邻居节点加入，即节点位置不再需要改变。节点部署优化结束。6.使用步骤3中的遍历方法依次计算每个节点被休眠后网络覆盖率cov的变化情况，若不发生变化说明该节点网络覆盖冗余度较大，则休眠该节点。7.当有节点低于所设定的能量最低的阈值时，该节点不再转发其他节点数据包，同时选择将该节点通信范围r内的休眠节点全部唤醒，并再次执行步骤6将部分节点休眠来节省网络能耗。通过动态的节点休眠和唤醒增强网络拓扑的鲁棒性，延长网络的生存时间。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法，包括下列步骤：1)播撒于目标水域表面的节点以水面的sink节点为簇头成簇，并由簇头节点根据节点间的距离按照由近及远的顺序进行编号，并按照编号的顺序依次进行沉降，节点ni+1下沉计算公式为：depthi+1＝depthi+d(i,i+1)；其中d(i,i+1)为节点ni和ni+1间的距离。2)沉降时判断是否存在下沉空间，如果下沉空间大于节点感知半径r，小于计算所得下沉距离，则改变下沉距离为r；若下沉空间小于节点感知半径，则从已有的深度值中选择一个距离最远的深度值作为自己的下沉深度；3)簇内节点沉降结束后，每个节点选择深度小于自己且与相连的节点作为父节点，自己作为子节点；4)采用遍历的方法对节点覆盖进行优化，网络目标优化函数为：

【技术特征摘要】
1.一种基于分层的有效传感器节点部署和覆盖保持方法，包括下列步骤：1)播撒于目标水域表面的节点以水面的sink节点为簇头成簇，并由簇头节点根据节点间的距离按照由近及远的顺序进行编号，并按照编号的顺序依次进行沉降，节点ni+1下沉计算公式为：depthi+1＝depthi+d(i,i+1)；其中d(i,i+1)为节点ni和ni+1间的距离。2)沉降时判断是否存在下沉空间，如果下沉空间大于节点感知半径r，小于计算所得下沉距离，则改变下沉距离为r；若下沉空间小于节点感知半径，则从已有的深度值中选择一个距离最远的深度值作为自己的下沉深度；3)簇内节点沉降结束后，每个节点选择深度小于自己且与相连的节点作为父节点，自己作为子节点；4)采用遍历的方法对节点覆盖进行优化，网络目标优化函数为：其中Vij为节点ni和nj覆盖区域的重叠体积，k为节点ni邻居节点的数量，N为传感器节点总数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：金志刚，冀智华，罗咏梅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12