[发明专利]一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络（UWSNs）节点部署与覆盖控制，特别涉及了一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法。

背景技术

目前，水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)已引起各国政府、研究机构和企业的高度关注。水下传感器节点能对网络所覆盖的区域进行中长期的水下预替、目标检测、海洋水文环境要素监测等。同时，在未来多基地和舷外分布式传感器系统构成的庞大的反潜战网络中，水下数据通信是关键，而水声网络承担着探测、数据通信的重要使命。

传感器节点部署是传感器网络系统前端信息采集和后端信息处理的有机的结合点，在传感器网络系统中起重要作用。传感器网络部署要研究的问题主要表现在两方面：一是感知区域中传感器节点的优化配置问题以及地形障碍状况对传感器网络配置的影响；二是传感器网络配置的资源管理问题，即研究解决传感器节点失效的冗余技术和保证系统长期正常工作的能源有效技术。

S.N.Alam和Z.Haas围绕利用最少节点实现3-D环境的最大覆盖这一问题展开研究，文章比较了截顶正八面体、菱形十二面体、六角菱柱体以及立方体等作为填充物来分别考察覆盖率，论证了当节点通信范围和传感范围的比值大于等于某一固定数值时，截顶八面体的覆盖效果要优于立方体、正六棱柱和菱形十二面体，并证明截顶正八面体结构中，当节点的通信半径与感知半径的比例大于1.889时可保证覆盖区域节点的连通性。该文献为实现以最少节点满足水下三维环境无线传感器网络节点的部署提供了很好的理论研究。

Carrick Detweiler等人设计了一种可调节深度的水下无线传感器节点，这种节点可以根据应用需求任意调节其在水下的深度。为深度调节作为水下环境的覆盖控制机制理论研究铺平了道路。

E.Cayirci和H.Tezcan提出了一种基于表面随机配置的UWSN覆盖控制方法：网络初始配置时，在水平面上随机布置一定数量的节点，每个节点存在一个调整空间，根据每个节点的调整空间内的邻居节点深度安排其自身深度。但是节点之间的通信必须通过水面的浮标来完成，数据的传输方式采用的是无线电波而非声波方式，这样必然增大节点通信产生的能耗。

而作为计算几何中十分重要的一个图形结构，泰森（Voronoi）图频繁地出现在网络性能优化等问题中。Wang等人就提出了一种假设基于泰森图的随机部署方法，他假设节点在水平方向具有移动性，利用泰森图查找区域的覆盖漏洞并利用节点的移动性弥补漏洞，以实现目标区域的覆盖，可是该方法只能应用于二维环境，尚未讨论三维环境下的情况。

发明内容

基于以上背景技术当中的不足，本发明提出一种基于泰森（Voronoi）图的水下传感器网络节点的深度调节方法，它是一种水下无线传感器网络节点部署方法，提高水下环境覆盖效果同时减少人工操作，优化随机部署的节点布局。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于泰森（Voronoi）图的水下传感器网络节点的深度调节方法，其特征在于：初始阶段，将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点均含有环境监测传感器、微控制器、无线声通信模块、电源模块以及用于水下传感器节点下沉或上浮的活塞式气泵及其压力感应控制开关；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点深度调节的控制中心，汇聚节点含有控制器、无线电、声通信模块、电源模块以及使其定位于水面的浮标；首先，目标水域水面上的水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标传输给汇聚节点，汇聚节点根据这些坐标信息生成该层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；接着，汇聚节点根据该二维泰森拓扑图中每个水下传感器节点对应的泰森多边形的面积选取需调节下沉的水下传感器节点并计算下沉深度；然后，汇聚节点发出控制指令，让所选取的水下传感器节点下沉到相同的深度；最后，所有完成下沉的水下传感器节点在该下沉深度上又形成一个新的层面；采用前述同样的方法对该层面上的水下传感器节点集合进行再次调节，如此循环反复，直至水下传感器节点下沉到目标水域的水底；本方法通过计算泰森多边形面积考察水下传感器节点在水平方向上的疏密性，将水平层面中过密的节点沉降，使随机部署于目标水域水面的水下传感器节点以层次划分的形式分布于目标水域中；包括如下步骤：