[发明专利]水声传感器网络中一种生物友好的网关部署优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下声学通信技术领域，具体的讲是一种一种生物友好的网关部署优化策略。

背景技术

随着海洋的开发，水下传感器网络越来越多的被应用在商业领域、环境保护领域以及军事领域，比如：海洋数据收集、环境污染检测、海岸线开发、灾害的防治、辅助导航以及军事侦察等方面。然而，对于一些对精度要求较高的研究领域以及对监测实时性要求较高的军事领域等，当前的远程遥感技术以及当地感知技术并不能满足要求。因此，在需要监测的水体中布放能够利用水声通信的传感器节点的水声传感器网络应运而生。然而，复杂的水声通信环境具有带宽有限、高延迟、高误码率以及节点动态变化的特性。这些特性使得在节点部署、信道接入以及路由选择等方面面临着巨大挑战。

然而，在恶劣的水下通信环境中，并非只有人工传感器网络依托于水声通信，一些海洋哺乳动物也通过声波进行定位、觅食和通信。它们共用稀缺的频谱资源。所以，为了降低人工水声网络与水声哺乳动物的相互干扰，实现生物友好的水声通信，有人在无线电认知技术的基础上提出了水声认知技术的概念。通过在水声认知的基础上进行频谱感知，在信道分配、信道接入、功率控制以及路由选择等方面实现与生物的和谐共存。但是对于海洋哺乳动物长期存在的区域，比如生活着中华白海豚和江豚等多种海洋哺乳动物的中国的北部湾部分海域，由于军事监测需要以及环境监测的需要，水声传感器网络需要对其生活区域附近水域进行长期监测任务。对于中华白海豚经常活动的区域，如果仅仅通过频谱感知实现网络和生物的和谐共存，势必会产生较大的时间和能量上的开支。

因此怎样在考虑生物友好的基础上缓解水声通信的高传输时延和较大的能量开支的有效方法就需要考虑水面多网关的部署。在传感器网络中，每个传感器节点能够监测和探测当地的环境事件然后通过网络将探测信息传递给水面网关，然后再将数据传输到控制台。在多网关的网络分布中，节点能够将数据包传递给任意临近的节点。一个水面网关用无线电波的方式将数据包转发给控制台。考虑到无线电波的传输速度比声速高几个数量级，所以可以合理的将数据包从水面网关到控制台的传播延迟忽略。同样的，在能量消耗方面，水声通信的消耗也远大于无线通信，因此也可以将无线电波的传输损耗暂且忽略。于是，所有的水面网关是沿着控制台形成的一个个虚拟汇聚点。所以怎样在考虑生物友好的基础上在水面上布放多个网关使得整个网络的能量损耗和时间延迟最小就成为期待解决的问题。

因此针对以上问题，

发明内容

本发明的目的是提供一种在考虑海洋哺乳动物对网关干扰的基础上能够缓解水声通信的高传输时延和降低能量开支的生物友好的网关部署优化策略。本发明在给定一个水下传感器网络部署场景时，以最小化数据包从水下传感器节点到达水面汇聚点的时延为目标，结合海洋哺乳动物的影响以及通信信道的带宽和流量守恒等约束条件，用一种启发式算法解决水面网关的优化问题。技术方案如下：

水声传感器网络中一种生物友好的网关部署优化方法：

步骤一：干扰区域的确定；通过对待测水体区域海洋哺乳动物的长期观测，统计观测数据并通过聚集分布CA指数的计算确定海洋哺乳动物的聚集分布类型即在同一区域的不同地方其存在概率非均匀分布，根据海洋哺乳动物出现概率的不同对监测水域进行划分，划分出海洋哺乳动物聚集区域；根据水声信道模型计算出海洋哺乳动物的通信半径R₁、干扰半径R₂以及水面网关的通信半径R₃、干扰半径R₄，确定干扰半径为d_inf＝max{R₂+R₃,R₁+R₄}；然后以确定的海洋哺乳动物聚集位置为圆心，以d_inf为半径的圆形区域即为生物-网关干扰区域；以确定的海洋哺乳动物聚集位置为圆心，以d_inf为半径的圆形区域即为生物-网关干扰区域；

步骤二：将网关布置问题看作图论问题进行分析解决；以网络平均端到端时延最小化为目标建立目标函数，并使其满足网关数量、流约束以及生物干扰约束等约束条件；其中整个网络的总的数据包生成速率等于数据包到达水面虚拟汇聚点的到达率，即为在数据包传输时间内到达虚拟汇聚点的数据包的期望，建立最小化端到端时延MEED问题；

步骤三：根据图中流量关系计算目标函数；网络中每个节点处的流量符合流量守恒条件：对于水下传感器节点，从一个节点流出的平均流量的总和与流入该节点的流量总和加上当前节点的数据生成速率的总和相等；