[發明專利]適用于動態水流場景的水下無線傳感器網絡拓撲修復方法

在審

• 申請號: 202211533199.5
• 申請日: 2022-12-02
• 公開（公告）號: CN115996442A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發明（設計）人: 劉春鳳;趙昭;曲雯毓;張肇瑋
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04W40/24
• 分類號: H04W40/24;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 韓帥

1.適用于動態水流場景的水下無線傳感器網絡拓撲修復方法，其特征在于，所述網絡拓撲修復方法根據所有互不連通的水下子網絡的位置分布特征構建連接所有子網絡和水面匯聚節點的修復路徑階段過程：包括如下步驟：

步驟101：選定每個水下子網絡的簇首節點并設定所有簇首節點的連接狀態為激活狀態；

步驟102：判斷每個水下傳感器節點到水面匯聚節點在時間段t內是否是傳輸可靠，若傳輸可靠的，則該水下傳感器節點代替原先其所在水下子網絡的簇首節點成為該水下子網絡的新簇首節點，并將自身連接狀態改為休眠狀態；否則，進入下一步103；

步驟103：將匯聚節點設定為目標點，并定義一個空集合為該目標點的執行集合；將所有處于激活狀態的簇首節點存入目標點執行集合中，并對目標點執行集合的簇首節點按照各自到達點目標點的歐式距離從大到小進行排序；

步驟104：選擇目標點執行集合中排名最前面的且處于激活狀態的簇首節作為當前執行節點，并定義兩個空集合分別作為該執行節點的候選隨從集合和隨從集合；將目標點執行集合中其它處于激活狀態的簇首節點存入該當前執行節點的候選隨從集合中，對該當前執行節點的候選隨從集合的簇首節點按照各自到達該執行節點的歐式距離從小到大進行排序；

步驟105：依次判斷在當前執行節點的候選隨從集合中的每個簇首節點是否能夠加入到該執行節點的隨從集合中過程：

將當前執行節點作為第一個元素存入它的隨從集合中；

選擇候選隨從集合中排名最前面的簇首節點作為候選節點，并計算當前執行節點的隨從集合中所有元素與目標點組成的數據集的1-中位點；

計算該數據集所有元素到該1-中位點的距離和，并記為d₁，計算候選節點到匯聚節點的距離，并記為d₂，計算當前執行節點EN隨從集合中所有元素、目標點與候選節點組成的數據集的1-中位點，計算該數據集所有元素到該1-中位點的距離和，并記為d₃；

對比d₁，d₂，d₃之間的關系，若d₃d₁+d₂，則將該候選節點添加到當前執行節點的隨從集合中，并將該候選節點從執行集合中刪除；

無論是否被添加到當前執行節點的隨從集合中，該候選節點都從當前執行節點的候選隨從集合中刪除；重復該步驟直至當前執行節點的候選隨從集合變為空集；

步驟106：重復步驟104-105直至執行集合變為空集；

步驟107：根據每個隨從集合中的簇首節點信息，構建拓撲修復路徑的過程；

步驟108：對于任意一個隨從集合，將其對應的1-中位點作為新的目標點，并將這個隨從集合變為執行集合；

步驟109：執行上述步驟103-108，直至該隨從集合對應的執行集合變為空集；

步驟110：重復步驟109，直至所有隨從集合對應的執行集合變為空集；

步驟111：重復上述步驟109-110，直至所有簇首節點的連接狀態為休眠狀態；將上述步驟中生成的所有目標點存入分支點集合的空集合中。

2.根據權利要求1所述的適用于動態水流場景的水下無線傳感器網絡拓撲修復方法，其特征在于，所述步驟107中根據每個隨從集合中的簇首節點信息，構建拓撲修復路徑的過程；包括如下步驟：

計算每個簇首節點個數大于1的隨從集合中所有簇首節點與目標點組成的數據集的1-中位點；將目標點和每個隨從集合的對應的1-中位點連接，構建修復路徑；

分別判斷每個隨從集合中每個簇首節點到達點它所在隨從集合的1-中位點在時間段t內是否傳輸可靠，若是傳輸可靠的，則將該簇首節點從對應的隨從集合中刪除，并將該簇首節點的連接狀態改為休眠狀態，將休眠的簇首節點和對應的隨從集合的1-中位點連接，構建修復路徑；

計算當前隨從集合的簇首節點的個數，若為1，則將該隨從集合中的簇首節點的連接狀態改為休眠狀態；將休眠的簇首節點和對應的隨從集合的1-中位點連接，構建修復路徑；

其中：在判斷每個隨從集合中每個簇首節點到達點中位點在時間段t內是否傳輸可靠的過程中，1-中位點看成一個位置不變的水下傳感器節點。

3.根據權利要求1所述的適用于動態水流場景的水下無線傳感器網絡拓撲修復方法，其特征在于，所述網絡拓撲修復方法還通過貪心移動布置修復節點過程，包括如下步驟；

步驟201：在分支點集合中所有元素的位置坐標上部署一個分支節點；

步驟202：將每一級的分支節點作為初始節點，其下一級分支節點或同級葉子節點為終止節點；即所有修復路徑的路段可以看成由一個初始節點和一個終止節點連接而成；

步驟203：每個與初始節點相連的終止節點判斷自身到達初始節點是否是傳輸可靠的，若是，則說明該修復路徑的路段不需要再部署修復節點；若不是，則說明該段部署路徑需要再部署修復節點去保障數據傳輸可靠性；

步驟204：在不滿足傳輸可靠性的路段上部署修復節點使初始節點能夠和終止節點可靠傳輸的過程：

在該路段上沿終止節點方向距離初始節點為r的位置上修復節點，判斷該修復節點到達初始節點是否是傳輸可靠的，若是，則該修復節點部署在該位置上；若不是，則該修復節點向著初始節點方向移動距離Δd；

Δd的表達式如下：

Δd＝mr.????(1)

式中：r為水下修復節點的通信半徑；m是移動距離調節系數，通常設定其為等于或小于0.05的一個正實常數；

重復上述過程直至該修復節點移動到能夠使其到達源節點是傳輸可靠的位置；

將該修復節點轉化為初始節點，原先初始節點不再作為初始節點；判斷該修復節點到達到其終止節點是否傳輸可靠，若可靠，則該路段完成修復節點部署；若不可靠，則繼續在該路段上沿終止節點方向距離初始節點為r的位置上放置一個修復節點，重復上面移動環節完成該修復節點的部署；其中：

停止在該路段上添加修復節點的條件是存在一個RN達到其終止節點是傳輸可靠的為止；

步驟205：重復步驟204直至所有路徑上的終止節點到達其初始節點是傳輸可靠的。