[发明专利]一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，更具体地，涉及一种基于理想图案模型的3D水下无线传感器网络部署方法。

背景技术

随着无线传感器技术的广泛应用，极大地改善了人们的日常生活体验，促进了现代工业制造和武器装备的发展。水下传感器网络(Underwater sensor networks，USNs)作为无线传感器网络(Wireless sensor networks，WSNs)向水下应用的延伸，在海洋环境监测、地质灾害预防、水下资源勘探、水下战术监视、水下武器及巡航器侦察定位等领域有着广阔的应用前景，已引起世界各国政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注。

最早开展USNs研究的国家是美国，早在上世纪50年代，美国就在大西洋和太平洋中投入大量经费建设了一个庞大的水声监测系统(Sound Surveillance System，SOSUS)，以实施海洋监测和海洋战术监视。作为美国比较成功的水下网络之一的美国海军海网(Seaweb)水下声学网络是目前应用较早的具有典型代表意义的水下传感器网络项目，美国海军主要将其用于沿海区域的警戒，这种可布放的自主分布系统能够实现命令、控制、通信和导航功能，在反潜战和反水雷领域具有良好的应用效果。

此外，日本的地球区域实时监测计划ARENA、欧洲的海洋气象监测网络ESONET、蒙特利海湾研究所MBARI建立的海洋生化监测系统LOBO和海洋监测系统MOOS、北太平洋中铺设的有缆绳海洋监测系统NEPTUNE工程和设在纽约西长岛南部的前沿分析观测网络和遥测系统FRONT等，目标都是通过USNs实现海洋多学科、多要素的综合研究。目前，USNs部署的主要方法包括随机部署、受控部署和移动部署等。一般来说，对于水下复杂多变的海洋环境，同时考虑网络开销和运行成本，USNs网络广泛采用随机部署策略对水下固定锚节点进行初始部署。

然而，水下固定锚节点一经部署会被锚固定在水底，只能通过改变自身浮力和节点与锚之间的缆绳长度来改变其所处的深度，而不能改变节点在原始部署后的水平位置，势必影响网络覆盖和连通性能。鉴于以上现实问题，目前所有随机部署优化算法都是经过计算，得出每一个原始部署节点最终合适的水下深度(Z-坐标值)，以满足网络覆盖率最大、网络连通度最高。

国外有很多学者发明了水下3D传感器网络部署方法，然而这些方法一般均专注于使得网络性能的某一个指标达到最优。以专注于覆盖率最大化的优化算法为例，此类算法主要分为两种：一种是穷举搜索方法，将部署节点在部署区域的不同深度不断进行迭代，直至找到该节点满足网络覆盖率最大时所处的深度。这种方法总能找到网络覆盖率最大的部署方案，但是其算法时间复杂度过高。

另一种是减小节点间覆盖区域重叠的方法，一般采用分簇或者抽取样本的方式用一种算法达到节点间重叠区域最小的目的。这种方法的分析过程和计算模型往往较为复杂，属于覆盖率最大化算法中的次优方案。

最近，有研究者提出了一些同时保证网络连通度的覆盖率最大化部署算法，主要是基于水面2D连通支配集，在不破坏该连通支配集的基础上选择被支配节点在水下的合适深度，以使得该被支配节点沉降后对区域的覆盖贡献最大。但是这种方法为了不破坏原有的连通支配集而保证网络连通度，因此限制了节点的移动空间，最终导致网络覆盖率得不到有效提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于理想图案模型的水下传感器节点沉降部署方法，以在水下3D传感器网络部署中，保证网络连通度的同时，使得网络覆盖率最大化。

为此，本发明提供了一种基于理想图案模型的水下无线传感器节点沉降部署方法，包括以下步骤：

(1)在给定目标区域的水面随机部署m个节点，并满足所述m个节点在水面原始部署中已构成一个连通的网络，原始部署的节点坐标集合记为M_surf(M_i.x，M_i.y，M_i.z)，i＝1，2，...，m；

(2)按照优化模型对所述给定目标区域进行三维泰森图划分，形成相互共面相切的空间填充多面体，并满足当传感器节点部署于理想图案位置时，所述多面体正好内切于传感器节点的感知球，将图案位置坐标集合记为N(N_j.x，N_j.y，N_j.z)，j＝1，2，...，n；