[發(fā)明專利]水聲傳感網(wǎng)中基于AUV時空均分部署的數(shù)據(jù)收集方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011162843.3
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112351466B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱川;龍霄漢;王瑤;高亮;劉威;常興治
• 申請（專利權(quán)）人: 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/10;H04W40/20;H04W4/38;H04W84/18;H04B13/02;H04B11/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 丁朋華

本發(fā)明公開了一種水聲傳感網(wǎng)中基于AUV時空均分部署的數(shù)據(jù)收集方法，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，若傳感器節(jié)點(diǎn)可直接與sink通信，將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絪ink；否則，計算節(jié)點(diǎn)與各AUV的最小距離，若至少存在一個AUV與節(jié)點(diǎn)的最小距離小于等于可靠通信距離，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯x節(jié)點(diǎn)最近的AUV，否則預(yù)測各AUV到達(dá)與節(jié)點(diǎn)同深度時的距離，選擇最短距離對應(yīng)的位置作為目的位置；根據(jù)目的位置計算節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級最大的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；鄰居節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后重復(fù)以上過程，直到數(shù)據(jù)到達(dá)AUV或者sink。本發(fā)明支持多AUV數(shù)據(jù)收集，節(jié)點(diǎn)的能耗得到降低；AUV在巡游網(wǎng)絡(luò)的時候不需要廣播控制包，降低了通信開銷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水聲傳感網(wǎng)中基于AUV時空均分部署的數(shù)據(jù)收集方法。

背景技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，海洋再度成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，海洋的國家戰(zhàn)略地位空前提高。為更便利、充分地利用海洋資源，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Networks，UASNs)應(yīng)運(yùn)而生。UASNs是一種自組織的水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中會被部署多個傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知并處理環(huán)境中的某些數(shù)據(jù)(溫度、圖像、視頻等)，并將感知到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿婵刂浦行摹?/p>

由于水下監(jiān)測區(qū)域范圍較大，而傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，因此一般通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，將數(shù)據(jù)以多跳的形式傳輸?shù)絪ink(匯聚節(jié)點(diǎn))，再由sink傳輸?shù)娇刂浦行摹，F(xiàn)有的適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸策略存在很多問題，例如靠近sink的節(jié)點(diǎn)能量消耗過大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過早死亡(即熱區(qū)問題)，因為它們需要轉(zhuǎn)發(fā)來自深層的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。另外，在水下環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)直接只能通過聲波通信，而水下聲波通信的能耗較高，通信質(zhì)量較差。在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域較大時，節(jié)點(diǎn)多跳傳輸消耗的能量較多，重傳較多。而且水下傳感器節(jié)點(diǎn)一般是隨水流在移動，因此在兩個節(jié)點(diǎn)通信的過程中，一個節(jié)點(diǎn)可能會移動到另一個節(jié)點(diǎn)的通信范圍之外，導(dǎo)致通信失敗和額外的能量消耗。

為了緩解上述問題，有學(xué)者提出在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用水下機(jī)器人AUV進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。AUV是一種可以自主移動的水下機(jī)器人，它可以在監(jiān)測區(qū)域中移動，并從部分或全部水下傳感器節(jié)點(diǎn)處收集數(shù)據(jù)。在使用AUV的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不需要使用長距離、多跳的通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絪ink，而只需直接傳輸?shù)紸UV或通過與鄰居節(jié)點(diǎn)的協(xié)作，使用短距離多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸UV。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的總量得到降低，數(shù)據(jù)包之間的沖突得到緩解，節(jié)點(diǎn)的能量消耗速度得到了減慢。另一方面，AUV在網(wǎng)絡(luò)中移動，數(shù)據(jù)的傳輸路徑由匯聚到sink變成了匯聚到sink和AUV，而AUV在移動，因此sink附近傳感器節(jié)點(diǎn)能耗過快問題得到緩解，由于AUV在網(wǎng)絡(luò)中巡游，節(jié)點(diǎn)能量消耗過快的熱區(qū)隨AUV的移動而變換，這樣在一定程度上可以均衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

業(yè)界對使用AUV進(jìn)行數(shù)據(jù)收集取得了一定的進(jìn)展，Guangjie Han等人在2019的《IEEE Transactions on Vehicular Technology》上發(fā)表的“An AUV LocationPrediction-Based Data Collection Scheme for Underwater Wireless SensorNetworks”中提出了一種基于單AUV位置預(yù)測的數(shù)據(jù)收集方法ALP，該方法使用AUV在網(wǎng)絡(luò)中按照預(yù)軌跡移動，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。由于AUV軌跡被預(yù)先定義，故節(jié)點(diǎn)可以預(yù)測AUV的位置，若節(jié)點(diǎn)與AUV的最小距離小于等于可靠通信距離，則節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到AUV；否則，節(jié)點(diǎn)預(yù)測AUV到達(dá)與自己相同深度時的位置，然后以該位置為目的位置，選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中與這個位置相距較近、能量較高的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，鄰居節(jié)點(diǎn)繼續(xù)這個過程直到數(shù)據(jù)達(dá)到AUV。為均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，AUV的收集區(qū)域會周期性變化，一定程度上均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗。該方法可以有效延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間、降低節(jié)點(diǎn)的能耗、提高數(shù)據(jù)包投遞率。但是，由于使用單AUV進(jìn)行長距離的數(shù)據(jù)收集，網(wǎng)絡(luò)的平均時延較大。另外，該方法沒有考慮AUV失效的可能，且網(wǎng)絡(luò)中只有一個AUV，故一旦AUV失效，網(wǎng)絡(luò)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)將會丟失。