[發(fā)明專利]水下傳感器網(wǎng)絡(luò)高時間分辨率數(shù)據(jù)虛擬簇收集方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810048774.6
• 申請日: 2008-08-12
• 公開（公告）號: CN101355390A
• 公開（公告）日: 2009-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李德識;陳健;孫濤;周密;王錦程
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)事務(wù)所
• 代理人: 劉榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)高時間分辨率數(shù)據(jù)的虛擬簇收集方法，屬于無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

海洋覆蓋著71％的地球表面，但相對于陸地而言，人們對其知之甚少，開發(fā)有限。鑒于當(dāng)今全球糧食、資源、能源供應(yīng)緊張與人口迅速增長的矛盾日益突出的情況，開發(fā)利用海洋中豐富的資源，已是歷史發(fā)展的必然趨勢。從總體上提高海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)報能力，維護(hù)海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境、預(yù)警海洋災(zāi)害，促進(jìn)海洋和沿海經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展在國家發(fā)展中占據(jù)十分重要的戰(zhàn)略地位。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大規(guī)模隨機(jī)布設(shè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的以感知現(xiàn)實物理空間為目的的網(wǎng)絡(luò)。由于其具有自組織、自修復(fù)、低功耗、監(jiān)測密度大、隨機(jī)布置的特點(diǎn)，在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報、空間探測、資源調(diào)查等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，引起了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并引發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究熱潮。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋監(jiān)測是其中一個重要的領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用領(lǐng)域面對的首要挑戰(zhàn)是低能耗和實時性要求。與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相比，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：

1)由于不能使用無線通信信道，必須借助于水聲通信。與無線電波傳輸信道相比，海洋水聲信道的傳輸條件是十分惡劣的，是一種隨機(jī)的時間-空間-頻變、強(qiáng)多徑干擾、長傳輸時延、強(qiáng)環(huán)境噪聲、可用帶寬非常有限的信道。

2)水聲(UWA)信道的傳播速度比無線電信道的傳播速度慢。而水聲的傳播速度要比無線電信號低5個數(shù)量級，大約為1500m/s，造成了極大的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。同時海水中的聲速受溫度、鹽度和靜壓力的影響會產(chǎn)生變化；如果不考慮傳播速度的話，通信間大的延遲會大大降低系統(tǒng)的通信量。

3)與無線電信號的傳輸不同，水聲信號在海洋中傳播時具有反射和折射、投射和繞射、散射與混響等特點(diǎn)；并且由于水聲信號的擴(kuò)展損失、海水的吸收作用、反射、折射和散射等，信號的強(qiáng)度隨距離的增加而產(chǎn)生衰減。因此，水聲信號的通信距離比較小。

4)由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)，使得更換水下節(jié)點(diǎn)電池非常困難，如何盡可能的節(jié)約和均衡節(jié)點(diǎn)能量的消耗，是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中任何技術(shù)和協(xié)議研究的關(guān)鍵。

基于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)，低能耗要求與可靠、實時傳輸?shù)拿芨蛹怃J。如何在不縮短網(wǎng)絡(luò)生命周期的前提下收集高時間分辨率的數(shù)據(jù)成為急待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)高時間分辨率數(shù)據(jù)的分簇收集方法，以在獲取高時間分辨率監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時，盡量減少各傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在現(xiàn)場監(jiān)測狀態(tài)，其功能是通過水下基站收集各傳感器節(jié)點(diǎn)的低時間分辨率數(shù)據(jù)，直接發(fā)送給水面監(jiān)控中心。為了收集高時間分辨率數(shù)據(jù)，本發(fā)明的技術(shù)方案是：引入能量充足、具有探測其它節(jié)點(diǎn)位置、自主移動的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，在盡量減少各傳感器節(jié)點(diǎn)能耗的前提下完成高時間分辨率數(shù)據(jù)的收集、處理、傳輸與交換任務(wù)。具體方案有如下三種：1)水下基站收集所有數(shù)據(jù)，其中低時間分辨率數(shù)據(jù)直接發(fā)送給監(jiān)控中心，高時間分辨率數(shù)據(jù)通過一個投放的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)從基站收集后返回監(jiān)控中心。2)低時間分辨率數(shù)據(jù)由水下基站收集后發(fā)送給監(jiān)控中心，高時間分辨率數(shù)據(jù)暫存在各傳感器節(jié)點(diǎn)的緩存中，由一個投放的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)依次從每個傳感器節(jié)點(diǎn)中收集后返回監(jiān)控中心。3)低時間分辨率數(shù)據(jù)由水下基站收集后發(fā)送給監(jiān)控中心，高時間分辨率數(shù)據(jù)暫存在各傳感器節(jié)點(diǎn)的緩存中，通過投放的多個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建虛擬簇的方式收集后傳遞給監(jiān)控中心。方案一要求水下基站具有足夠大的空間以便于存儲所有數(shù)據(jù)，更重要的是大量高時間分辨率數(shù)據(jù)傳送到基站將會極大的消耗各傳感器節(jié)點(diǎn)的能量。方案二采用近距離數(shù)據(jù)收集，各傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗將會最低，但由于單個執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)需要找到所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，要求節(jié)點(diǎn)必須具有精確的定位系統(tǒng)，并且如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時，逐一查找的時間將會很長。方案三需要消耗少量的傳感器節(jié)點(diǎn)能量，但由于通過構(gòu)建虛擬簇的方式收集數(shù)據(jù)，不需要非常精確的定位系統(tǒng)，并且無論節(jié)點(diǎn)數(shù)量多少，收集時間不受影響。

本發(fā)明采用方案三，根據(jù)約束條件對監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，從而確定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)數(shù)量和位置；將執(zhí)行其節(jié)點(diǎn)投放進(jìn)入待監(jiān)測區(qū)域；現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)解散，以各執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)為簇頭構(gòu)建虛擬簇，進(jìn)行高時間分辨率數(shù)據(jù)收集，收集完畢，虛擬簇解散，網(wǎng)絡(luò)切換到原有現(xiàn)場監(jiān)測狀態(tài)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)返回水面監(jiān)控中心。

具體包括如下步驟：