[发明专利]水下传感器网络中基于三维拓扑控制的集群休眠唤醒方法

说明书

水下传感器网络中基于三维拓扑控制的集群休眠唤醒方法，包括下述内容：利用三维水下传感器网络模型实现传感器节点的三维布放，其中，传感器节点采用三维布尔感知模型；通过分析传感器各部分能耗大小情况建立能耗模型，并重新考虑水下传输能耗的计算公式；运用三维密集网络的拓扑模型。基于以上模型和集群休眠调度算法的相关定义来确定分割单元和集群大小，从而实现网络的高覆盖、高连通和低能耗，并确定节点等级和感知半径；在考虑网络质量的前提下，设置合适的休眠时间和信息表。

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络拓扑控制技术，具体涉及一种基于三维拓扑控制的集群休眠唤醒调度算法。

背景技术

海洋是人类维持生存繁衍和社会实现可持续发展的重要基地，开发利用海洋的热潮正在全球兴起。水下传感器网络能够为促进海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海上生产作业和海洋军事等提供更好的技术设备和信息平台，得到了世界各国政府部门、工业界、学术界的极大关注。但是在水下环境中，节点能量有限且很难更换电池，若是节点能量耗尽将会造成网络覆盖漏洞，甚至出现局部网络瘫痪，大大影响网络性能。因此设计一种高覆盖、高连通、低能耗的水下无线传感器网络拓扑控制算法具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种水下传感器网络中基于三维拓扑控制的集群休眠唤醒方法：包括以下步骤:

步骤1:利用三维水下传感器网络模型完成海洋环境采样工作，传感器节点采用三维布尔感知模型，传感器节点n_i的感知模型为一个以该点坐标(x_i,y_i,z_i)为球心，以感知半径r_s为半径的球体；

传感器节点布放时是一层一层地布放，首先在水底随机布放节点，然后通过浮标将传感器推向水面，第一次绳长为重复上述动作，第n次绳长调节为其中m表示监测区域的高度；

步骤2:分析传感器各部分能耗大小情况，确定能耗模型；

传感器能耗主要在感知模块、计算模块和无线通信模块；无线通信模块会消耗大部分的能量，通常分为发送、接收、空闲和睡眠四种状态；其中发送能耗最大，接收和空闲能耗适中，而睡眠能耗最小；因此，能耗模型只考虑发送数据、接收数据和空闲状态时的能耗；

发送数据能耗：

假设传感器节点能够正常接收1bit数据的最低功率为P_min，随着传输距离D变化的功率衰减函数为A(D)，与衰减系数α、传输距离D和水声信道传输模型有关:

A(D)＝α^D·D^k

式中，k表示水声信道传输类型参数；

通常情况下，衰减系数α与吸收系数α(f)直接相关：

而吸收系数α(f)只与水声信号频率f相关：

因此在浅水区域把Lbit的数据发送到相距d米处的另一个节点能耗为：

E_s＝L·P_min·A(d)

接收数据能耗：

接收数据能耗与数据包大小和接收1bit数据时的耗能有关，通常用常数E_e表示节点接收1bit数据时所耗费的能量，因此接收Lbit数据时的能耗为E_r＝L·E_e；空闲时能耗：