[發(fā)明專利]一種用于海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知系統(tǒng)及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911228481.0
• 申請(qǐng)日: 2019-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN110933641A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡一帆;陳杰;呂斌;劉海林;陳露;孫玉嬌;呂成興;袁健;張照文;曹琳;李輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號(hào): H04W4/40
• 分類號(hào): H04W4/40;H04W4/38;H04W16/14;H04W52/02;H04W84/18;G01C21/20
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

本發(fā)明公開了一種用于海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知系統(tǒng)及方法，包括：采用適應(yīng)度方程選擇最優(yōu)的子簇頭節(jié)點(diǎn)，從而建立三層簇結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)模型；規(guī)劃USV(海上無人艇)全局最短路徑并移動(dòng)遍歷所有簇頭和子簇頭節(jié)點(diǎn)；通過簇頭和子簇頭形成的多跳接力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)USV局部路徑規(guī)劃，實(shí)時(shí)規(guī)劃USV的移動(dòng)路徑，從而建立面向海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知系統(tǒng)。本發(fā)明通過簇頭和子簇頭節(jié)點(diǎn)的雙層匯集作用，及USV全局和局部結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，可以有效實(shí)現(xiàn)海上自組織網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，以及網(wǎng)絡(luò)的高效維護(hù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異 構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在 先技術(shù)。

海上自組織網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)為海洋運(yùn)輸業(yè)、應(yīng)急救援、海洋環(huán)境監(jiān) 測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐和保障，具有部署靈活、成本低、受環(huán)境影 響小的特點(diǎn)，對(duì)海上重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)，提高了人們對(duì)海 洋環(huán)境、資源、災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)能力。海上自組織網(wǎng)絡(luò)包括了 海上無人艇(USV)等海上移動(dòng)節(jié)點(diǎn)載體，及錨定浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)等 搭載傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的水上固定載體，或錨定潛標(biāo)等搭載傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)的水下固定載體，通過海上無線通信方式接力傳輸感知數(shù)據(jù)，能 在未開發(fā)海域快速布置監(jiān)控和響應(yīng)體系，完成集群感知、協(xié)同作業(yè)等 海上任務(wù)。

同時(shí)，海上環(huán)境復(fù)雜，拓?fù)涓采w無法通過預(yù)先計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署位置方式來最 優(yōu)化，使得節(jié)點(diǎn)不能完全覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域。海風(fēng)和海浪的擾動(dòng)也極易影響傳感器 節(jié)點(diǎn)位置，發(fā)生遷移，使得海上自組織網(wǎng)絡(luò)具備動(dòng)態(tài)演化性，影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇?靠性。部署USV移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，提高對(duì)監(jiān)測(cè)事件在時(shí)間和 空間維度上的采樣率，提升網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)性能。

在USV的路徑規(guī)劃問題上，若USV移動(dòng)遍歷所有節(jié)點(diǎn)來匯集數(shù)據(jù)，會(huì)使 USV規(guī)劃的路徑距離過長，能耗高而導(dǎo)致成本過高。若均勻部署少量簇頭節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)中，用于匯集并存儲(chǔ)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，可以減少USV規(guī)劃的 航行距離和能耗，USV只需遍歷簇頭節(jié)點(diǎn)，采集簇頭上傳的數(shù)據(jù)即可。但若USV 僅遍歷簇頭節(jié)點(diǎn)，則需先等待所有節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)上傳給簇頭；同時(shí)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)過多 的多跳路由還將消耗大量能量并增加節(jié)點(diǎn)故障概率，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡。

第二，部分監(jiān)測(cè)區(qū)域由于重要性程度高，需要采集圖像或視頻等大量級(jí)數(shù) 據(jù)，其余部分區(qū)域僅需采集風(fēng)力溫度鹽度等中量級(jí)數(shù)據(jù)，如何對(duì)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行部署，兼顧采集不同規(guī)模數(shù)據(jù)的問題有待解決。

第三，在USV的路徑規(guī)劃中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部分區(qū)域發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，需要USV 前往進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，或者更換損壞的節(jié)點(diǎn)，則需要一種高效的遠(yuǎn)距離對(duì)USV進(jìn) 行局部路徑規(guī)劃的方法，從而實(shí)現(xiàn)USV與異構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同感知。

綜上所述，目前亟需更合適的將USV與海上自組織網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)同進(jìn)行數(shù)據(jù) 感知的方案。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種用于海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié) 同感知系統(tǒng)及方法，通過引入子簇頭節(jié)點(diǎn)，依靠三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中子簇頭和簇頭 節(jié)點(diǎn)的匯集作用，在減少各接力節(jié)點(diǎn)多跳傳輸路徑的距離同時(shí)，可以減少USV 規(guī)劃的移動(dòng)路徑，降低節(jié)點(diǎn)故障率，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗和丟包率；通過USV全 局和局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方法，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的快速維護(hù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

在一些實(shí)施方式中，采用如下技術(shù)方案：

一種用于海上自組織網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知系統(tǒng)，包括：分別部署在海面 的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，形成分簇結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；分別在每一個(gè) 簇中選擇若干最優(yōu)的子簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇內(nèi)的子簇頭節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)形成星形 網(wǎng)絡(luò)，子簇范圍內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與子簇頭節(jié)點(diǎn)形成多跳路由網(wǎng)絡(luò)，而簇內(nèi) 的所有子簇覆蓋范圍之外的剩余傳感器節(jié)點(diǎn)，直接通過多跳方式與簇頭節(jié)點(diǎn)形 成多跳路由網(wǎng)絡(luò)。

在另一些實(shí)施方式中，采用如下技術(shù)方案：