[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

本發明提供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；該修復方法包含兩個階段：修復路徑建立和修復節點布置；其一：基于路徑裁剪的修復路徑生成方法，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；其二：基于貪心移動的自適應水下修復節點布置方法，使節點間鏈路滿足傳輸成功率要求的前提下，減少修復節點部署數量；經過上述兩個步驟后，水下無線傳感器網絡拓撲能夠被修復；該方法可以根據水下通信信道以及水流運動特征為水下無線傳感器網絡進行拓撲連通修復，能夠提高傳輸可靠性的同時減少修復節點部署數量。

技術領域：

本發明主要涉及水下無線傳感網絡技術領域，尤其涉及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。

背景技術：

水下無線傳感器網絡是獲取海洋數據的重要途徑之一，它能夠實時、便捷的為各種海洋應用場景提供所需要海洋數據，例如海嘯預警、魚群監測、海底資源勘探、輔助導航以及水下入侵檢測等。水下無線傳感器網絡通常包括水下數據感知、水下數據傳輸、水面數據匯聚、以及數據處理和應用四個環節。在一個典型的水下數據產生和水下傳輸過程中，水下傳感器節點首先將有價值的水下信息數據進行感知，然后通過多跳傳輸方式或水下移動節點輔助收集方式將這些數據傳遞到水面匯聚節點。由于水下移動節點通常是移動緩慢的，因此多跳傳輸方式更適用于時延敏感數據的傳遞。

本發明應用場景為多跳傳輸方式的水下無線傳感器網絡。許多水下無線傳感器網絡通常部署在復雜多變且無人現場監管的海洋環境中，受到海洋環境因素或敵對勢力的蓄意破壞易導致大量水下傳感器節點失效，從而使整個水下無線傳感器網絡被分化成若干個互不連通的子網絡，這將致使許多具有重要價值且時延敏感的水下數據無法繼續被及時的發送到水面匯聚節點。如何對遭受破壞后的互不連通的子網絡進行修復，使其能夠可靠的向水面匯聚節點發送數據是非常具有挑戰性的工作。主要原因有兩點，首先，低質量的水下無線信道容易造成數據在轉發過程中的重傳問題，嚴重影響數據效率和成功率。其次，洋流運動引起的水下節點移動易干擾拓撲修復過程，并破壞網絡拓撲連通性，降低水下無線傳感器網絡的數據傳輸的可靠性。

水下無線傳感器網絡拓撲修復的常用方法之一是部署額外的水下修復節點去連通所有互不連通的子網絡和水面匯聚節點，使水下數據能夠繼續被可靠的發送到水面匯聚節點。通過對相關調研，現有的水下無線傳感器網絡拓撲修復策略主要考慮如何部署最少數量的水下修復節點去連通所有互不相連的水下子網絡，缺乏考慮水下信道特征引起的通信質量差以及動態水流引起的中繼節點位置偏移對傳輸可靠性的影響。如期刊論文“ATCFS:Effective?Connectivity?RestorationScheme?for?Underwater?AcousticSensorNetworks”提出了一種以最小化部署成本(部署最少數量的水下修復節點)為目的水下無線傳感器網絡連通修復策略。該論文設計一種基于最小生成樹和費馬點選擇的啟發式策略，在該策略運行過程中，水面修復節點下沉到指定深度去修復網絡拓撲連通性。但是，該策略網絡模型簡單，沒有考慮水下信道質量以及水流運動對于部署成本和部署效果的影響，易造成修復完成的網絡的傳輸可靠性差以及修復節點部署成本高等問題。針對現有水下無線傳感器網絡的拓撲修復策略所存在的問題，本發明提出了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；它能有效保證網絡傳輸可靠性，并降低部署成本。

發明內容：

為了解決現有技術問題，本發明提供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，它能夠通過分析水下子網絡位置分布特征以及洋流運動特征，去盡可能少的部署修復節點，使網絡恢復連通的同時具有可靠的數據傳輸性能。