[發明專利]水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署方法

有效

• 申請號: 201810429330.0
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN108650030B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 張宇華;申慶祥;薛花;王育飛
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04W84/18;H04W24/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根;徐穎

本發明涉及一種水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署方法，首先建立網絡的生命周期模型和網絡的時延模型；然后引入局部差分搜索算法和差分交叉以及變異算子對NSGA?II算法進行了改進，應用改進的NSGA?II算法與水下無線傳感器網絡的生命周期模型和時延模型，對水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點進行部署優化；最后應用超效率DEA方法所得到的水面多個匯聚結點部署方案進行相對效率排序，確定相對效率最優的部署方案。本發明能夠全面、精確、便捷地計算出水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點的優化部署方案，為水下無線傳感器網絡最大化減少能耗和網絡傳輸時延提供方法指導。

技術領域

本發明涉及一種監測技術，特別涉及一種水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署方法。

背景技術

水下無線傳感器網絡能夠對水下復雜環境進行監測，完成重要的水下任務，如水質監測、海下探險、災難預防、地震監測、輔助導航、海洋軍事、礦井偵察等。

在水下，由于水的特殊性質，射頻信號在水中短距離衰減很嚴重，因此地面無線傳感器網絡常用的2.4GHz和868MHz無線頻率在水下不能應用，水下通信通常采用聲頻信號進行通信。水聲通信的傳播速度大約為1500m/s，比地面無線電波通信的傳輸速度低5個數量級。如此低的傳輸速度會形成長時間的信息傳播時延，疊加導致傳感器節點至陸上接收站的高時延，極大的限制了水下無線傳感器網絡在交互式應用系統及實時監測系統中的應用。

水下傳感器節點的電池能量有限，水下環境中充電和換電都非常困難，而且水下無線傳感器節點的信號接收端與陸上無線傳感器節點相比，需要復雜的信號處理運算以補償長距離傳輸的信道衰減，更加劇了能量消耗。電池能量耗盡也就意味著系統生命周期的結束，從而嚴重影響水下無線傳感器網絡的生命周期。

水下無線傳感器網絡較高的傳播時延和有限的電能供應，制約了水下無線傳感器網絡在交互式應用系統和實時監測系統中的應用，解決或改善水下傳感網絡的能耗和時延問題，是水質監測網絡系統一個迫切解決的問題。

發明內容

本發明是針對水下傳感網絡的能耗和時延的問題，提出了一種水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署方法，利用改進的NSGA-II算法對水面多個匯聚結點部署進行優化，通過超效率DEA方法對所有方案進行相對效率排序。得到水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署的最優方案。

本發明的技術方案為：一種水下無線傳感器網絡的水面多個匯聚結點部署方法，具體包括如下步驟：

1)根據水下無線傳感器網絡的節點間發送數據的能量消耗、接受數據的能量消耗和節點的初始能量，建立網絡的生命周期模型；

2)根據水下無線傳感器網絡的節點間數據傳輸的傳輸時延、傳播時延和路由等待時延，建立網絡的時延模型；

3)引入局部差分搜索算法和差分交叉以及變異算子對NSGA-II算法進行了改進，應用改進的NSGA-II算法與水下無線傳感器網絡的生命周期模型和時延模型，對水面多個匯聚結點進行部署優化；

在NSGA-II算法引入局部差分搜索算法：NSGA-II算法的同一層級的第i個個體和第i+1個個體進行局部差分搜索的條件為：

其中f_m(i)表示第i個個體的目標值；f_m(i+1)表示第i+1個個體的目標值；f_m(i-1)表示第i-1個個體的目標值；α表示局部差分搜索算法中的縮放因子；

進行局部差分搜索后產生的臨時子代為：

P′_i＝βp_i-1+(1-β)p_i

其中：p＇_i表示p_i產生的臨時子代；β表示差分變異算法中的變異加權因子，β∈[0，1]；