[发明专利]基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络覆盖方法领域，尤其涉及一种基于三维定向移动的无线传感器网络覆盖方法。

背景技术

目前,三维水下无线传感器网络通常将节点部署在水下三维立体空间中，用于检测和观察水底节点无法完全监测的水下事件，在三维水下网络中，水下节点通过电缆与水面的浮子相连，水面浮子上安装有无线通信模块，水面的无线通信节点可以通过单跳或者多跳的方式与岸边的基站进行通信。同时三维水下无线传感器网络通过调节电缆的长度可以调节节点在水下的深度，以满足3D覆盖需要。

三维水下无线传感器网络具有几个特点：水下传感器网络中所有的节点具有相同的感知节径和通信半径；节点的覆盖模型为二元感知覆盖模型，传感器节点在三维空间中的感知区域为球形，因此称节点感知区域为感知圆球；覆盖算法执行之前，节点已准确定位，节点位置已知；节点在水平面不可移动，但纵向可自由移动，并可以准确移动到指定位置。

三维水下无线传感器网络的覆盖方法按照适用场景可以分为确定性部署覆盖和随机部署覆盖。确定性部署覆盖主要研究在特定的部署区域如何使用最少的节点在达到覆盖要求的前提下对已知环境进行监测。随机部署的覆盖方法主要研究传感器网络在未知区域中采取随机抛洒的方式进节点部署，节点采取何种方法移动来达到对监测区域的最佳覆盖。由于水环境存在大量的不确定因素，水下无线传感网络通常采用随机部署的方式。关于移动节点随机部署的覆盖优化方法较为常用的为虚拟力覆盖优化方法。

基于虚拟力的网络覆盖优化方法应用在有限数量且随机抛洒的无线传感网中，虚拟力算法假定节点之间存在引力和斥力两种虚拟力，虚拟力的大小和节点之间的距离相关。通过计算节点所受虚拟力的合力，确定节点移动的方向及移动的距离，重置节点的位置。经过多次迭代计算使传感器网络的覆盖面积达到最大化。虚拟力方法因其灵活性和稳定性而成为目前的研究热点，但是也存在其不足：1、虚拟力方法需根据节点间距离计算区域中任意两个传感器节点之间的虚拟力，计算量较大；2、虚拟力方法中节点受力方向为全向的，运动方向与受力方向一致，在二维平面的覆盖中可以有效的提高覆盖率。但在三维定向移动的传感网中，由于受力的方向与移动方向不一致，导致虚拟力的大小与节点所需移动的距离不成正比。因此虚拟力覆盖优化方法不适用于三维水下传感网。

大多随机部署的覆盖方法研究限定在二维平面的网络，并且假定传感器节点可以随意移动到区域内任意的位置，这并不适用于三维水下传感器网络，因此对于三维定向移动的网络覆盖方法的研究十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，能够提高整个水下三维网络的覆盖率。

本发明采用下述技术方案：一种基于三维定向移动的水下无线传感器网络覆盖方法，包括以下步骤：

（1）、水下无线传感器节点向邻居节点转发消息，消息包括节点的ID号及节点的位置信息；

（2）、每个节点根据收到的消息统计邻居节点的个数及位置信息，同时计算每个邻居节点到节点本身的距离；

（3）、根据邻居节点的位置信息，依次计算对于每个邻居节点，节点所需移动的虚拟距离和移动方向，所述的虚拟距离即两节点的感知圆相切时，节点相对于每个邻居节点所需移动的距离；

（4）、根据节点坐标，计算节点到部署区域边界的距离，若节点到边界的距离小于感知半径，计算节点远离边界所移动的虚拟距离；所述的虚拟距离为节点的感知圆与边界相切时，节点相对于边界所需移动的距离；若节点到边界距离大于感知半径，则进入步骤（5）；

（5）、将步骤（3）计算的虚拟距离和步骤（4）所计算的虚拟距离加权求和，求出每个节点在本次迭代计算时所需移动的距离和移动方向；

（6）、按照节点ID号的顺序依次对全网中所有水下节点进行优化：根据步骤（5）中计算出的每个节点移动的距离和移动方向计算优化后每个节点的新位置；并将每个节点移动至新的位置，同时向邻居结点和基站发送新位置的坐标；

（7）、计算水下无线传感器网络中全部节点实际移动距离大小之和，若小于门限值，则认为网络部署趋于稳定，结束；若大于门限值，返回步骤（2），继续迭代计算对网络进行覆盖优化。

所述的步骤（7）中的门限值为：d_th=ωN²r/V，其中V为部署区域的体积；ω为调节系数，N为节点的数量，r为节点的感知半径。