[發明專利]水下傳感器網絡高時間分辨率數據虛擬簇收集方法

無效

• 申請號: 200810048774.6
• 申請日: 2008-08-12
• 公開（公告）號: CN101355390A
• 公開（公告）日: 2009-01-28
• 發明（設計）人: 李德識;陳健;孫濤;周密;王錦程
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04L12/28;G01S5/02;G01S1/02
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所
• 代理人: 劉榮

1.一種水下傳感器網絡高時間分辨率數據虛擬簇收集方法，其特征在于包括以下步驟：

1)預先將傳感器節點部署在需要監測的區域內：將傳感器節點根據GPS信號或者其它無線傳感器網絡定位算法確定其自身地理位置，并在網絡建立階段將節點位置作為組網信息發送到監控中心，以此建立無線傳感器網絡節點分布模型；

2)以能耗、時延為約束條件，對監測區域的傳感器節點進行逐次逼近的網絡區域劃分：首先找到監測區域的邊緣節點，畫出一個矩形；再根據節點總數量和約束條件下的簇最優節點數量進行初步分簇劃分；然后根據數據收集耗時模型估計每個子區域中數據收集延時能否滿足要求，若不滿足，則對監測區域進一步細分，直到所有子區域都能滿足約束條件；所述網絡區域劃分是首先對無線傳感器網絡覆蓋的監測區域進行初步劃分，根據監測區域的長寬比和網絡節點的數量將矩形分為若干個子區域，如下式所示：

n_r∶n_c＝R_l∶R_w

n_r×n_c×r≈N

n_r和n_c是劃分成子區域的行數與列數，R_l和R_w是矩形監測區域的長與寬，N是網絡節點總數，r是一個比例系數，當某個子區域中的節點密度較大，不能滿足延時要求時，需要對該子區域進一步細分，然后重新對每個子區域所需數據收集延遲時間進行估計，直到所有的子區域都能滿足延時約束；

網絡區域劃分后可用節點分布模型表示：設目標無線傳感器網絡由N個子網構成，第i個子網包含有Mi個固定節點，每個固定節點S用其x軸坐標和y軸坐標表示，

第i個子網的第j個節點的位置模型為：

{S_i，j(x_i，j，y_i，j)：0≤x_i，j≤Length，0≤y_i，j≤Width}，其中Length，Width分別為監測區域的長和寬，整個無線傳感器網絡節點分布模型可表示為：

SubNet1={S1,1,S1,2,...S1,M1}SubNet2={S2,1,S2,2,...S2,M2}...SubNeti={Si,1,Si,2,...Si,Mi}...SubNetN={SN,1,SN,2,...SN,MN}]]>

3)利用步驟2中各子區域進行數據收集耗時模型作為參考依據，通過子區域優化合并算法刪除不包含節點的子區域，如果子區域包含節點數量小于約定值，也要進行相鄰子區域行合并，達到區域劃分與收集耗時的平衡；所述子區域優化合并算法包括以下步驟：區域劃分算法將網絡分成若干個按網格分布的子區域，根據數據收集耗時模型可以計算出每個子區域進行數據收集消耗的時間，由此建立一個數據收集耗時矩陣，矩陣中的每一個元素值代表相應網格位置的子區域進行數據收集預計消耗的時間，若某子區域不能滿足約束延時要求，則需要進一步拆分，數據收集耗時矩陣也隨之更新，直到所有子區域都能滿足約束要求；在滿足約束條件的前提下，合并數據收集耗時較小的相鄰子區域，盡量減少子區域的數量，合并的方法是從位于(1，1)的子區域開始，按照從左到右自上而下的順序合并數據收集耗時較小的相鄰子區域，合并后的子區域必須滿足約束條件，當某子區域有多個相鄰子區域都能與其合并時，選擇合并后耗時最小的一個合并；

4)確定子區域中執行器節點的部署位置：每個子區域對應一個執行器節點，用于充當該區域數據收集時的簇頭節點，其部署位置可根據具體要求，采用最短通信距離算法、最小最大通信跳數算法和以平衡節點能耗為目的的帶權重的節點重心算法確定，然后將執行器節點自水面投放進入現場監測網絡，進入預設位置；

5)執行器節點進入預設位置后，按照虛擬簇形成方法構建虛擬簇：各執行器節點以泛洪方式向周圍的傳感器節點發布包含各執行器節點信息的網絡連接請求，該連接請求在逐跳傳遞的過程中記錄跳轉節點路徑，一并放入連接請求信息之中；傳感器節點接收到某個執行器節點發布的請求信號后，將在本地保存一份，并將該請求信號增加最新跳轉路徑后發布給其它鄰居節點；同時經由原請求信號中記錄的跳轉路徑逆向向執行器節點回送一份帶自己節點ID信息的響應信號；一旦某個傳感器節點已經接收了一份請求信號并保存后，將不再接收其它節點傳遞過來的請求信號；重復上述步驟，直到所有傳感器節點的回送響應信號被各個執行器節點接收；執行器節點根據多跳回送路徑建立各虛擬簇的路由表；所述虛擬簇形成方法包括以下步驟：執行器節點進入預設位置后，按照泛洪的方式向周圍的傳感器節點發布包含各執行器節點信息的網絡連接請求，該連接請求在逐跳傳遞的過程中記錄跳轉節點路徑，一并放入連接請求信息之中；傳感器節點接收到某個執行器節點發布的請求信號后，將在本地保存一份，并將該請求信號增加最新跳轉路徑后發布給其它鄰居節點；同時經由原請求信號中記錄的跳轉路徑逆向向執行器節點回送一份帶自己節點ID信息的響應信號；一旦某個傳感器節點已經接收了一份請求信號并保存后，將不再接收其它節點傳遞過來的請求信號；重復上述步驟，直到所有傳感器節點的回送響應信號被各個執行器節點接收；執行器節點根據多跳回送路徑建立各虛擬簇的路由表；

6)虛擬簇構建完成后，由執行器節點充當簇頭，根據各虛擬簇路由表對每簇中傳感器節點的高時間分辨率監測數據進行收集：若某個傳感器節點的數據傳送完畢后，將向充當簇頭的執行器節點發出緩沖區空的結束命令；執行器節點接收到本簇中所有傳感器節點的結束命令后，將發出響應信號；虛擬簇隨之解散，網絡切換到原有的水下傳感器網絡現場監測狀態，執行器返回水面，將收集到的高時間分辨率數據傳遞給水面監控中心。

2.根據權利要求1所述的水下傳感器網絡高時間分辨率數據虛擬簇收集方法，其特征在于所建立的數據收集耗時模型為：設網絡中節點數量為N，據節點距數據收集節點的最大距離l_m和節點通信的最大半徑r，估計收集節點與固定節點通信的最大跳數h_m＝l_m/r。在基于CSMA機制的傳輸行為中，當信道空閑時，各個節點在每個時隙進行數據發送的概率相等，且只與競爭窗口的大小相關，記作τ；節點i在每個時隙內可能出現的狀態有空閑、傳輸和忙碌3種，定義這些狀態出現的概率分別為P_{i_id}、P_{i_tr}和P_{i_bl}，即P_{i_bl}＝1-P_{i_tr}-P_{i_id}，定義δ表示每個空閑時隙的時間長度，它是一個常數，T_{i_s}表示發送一個完整的數據分組所需要的總時間長度，T_{i_bl}表示對于節點i而言每次信道忙碌的平均時間長度，則節點i的每個時隙的平均長度為T_{i_slot}＝P_{i_id}δ+P_{i_tr}T_{i_s}+_{Pi_bl}T_{i_bl}＝P_{i_id}δ+P_{i_tr}T_{i_s}+(1-P_{i_tr}-P_{i_bl})T_{i_bl}，

由于所有節點的數據都需要由節點1轉發給匯聚節點，因此網絡吞吐量就等價于節點1的有效數據傳輸量，網絡吞吐量S為：

網絡中每個節點發送數據總量一定，設為M，且每次傳輸的數據量是相同的，即T_{i_s}＝t_s，m_i＝m，都是常量，則數據收集消耗的時間為：

Tc＝NM/S

Tc＝NM[(1-τ)δ+τt_s]/τm????????????????????h_m＝1

Tc＝NM[(1-τ)²δ+τt_s+(1-τ)τt_s]/τm????????h_m＝2

Tc＝NM{(1-τ)²δ+τt_s+(1-τ)τ[(2-τ)t_s-(1-τ)δ]}/τm????h_m＝3

T_{i_s3}為節點3相對于節點2數據分組平均傳輸時間，當h_m≥3有T_{i_bl}＝t_s+(1-τ)T_{i_s3}-(1-τ)δ；當h_m＝3時，T_{i_s3}＝t_s，

當網絡中節點個數超過3個的時候，可以將節點3到節點N整體視為一個有i-2個節點的無線傳感器網絡，節點3相對于節點2數據分組平均傳輸時間有這樣的關系式：

ti_s3ts=si-2S1]]>i≥3

隨著跳數的不斷增加，后加入的節點對前面的節點影響越來越小，因此網絡的吞吐量最終收斂到一個穩定值，當跳數超過9時，跳數和端到端延遲呈現線性遞增的關系，因此數據收集消耗的時間可以簡單的表示為Tc＝N×t’，t’為在該網絡吞吐量下，收集節點收集一個節點數據所消耗的時間。