[发明专利]基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法

说明书

本发明主要涉及水声传感网技术领域，为加强对重点监测区域的监控力度，在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗。本发明，基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法，步骤如下：一、拓扑生成阶段；二、数据传输阶段:传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输，以保证数据的传输能耗最少，当路径的传输概率PRsubgt;c/subgt;(i,CHsubgt;k/subgt;)ζ时，表示节点Vsubgt;i/subgt;发送的数据被成功接收，ζ为阈值常数，CHsubgt;k/subgt;表示第k个簇头节点，PRsubgt;c/subgt;(i,CHsubgt;k/subgt;)表示从节点Vsubgt;i/subgt;到簇头节点CHsubgt;k/subgt;的某条路径的通信概率；当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时，表示该节点死亡，利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。本发明主要应用于水声传感网。

技术领域

本发明主要涉及水声传感网技术领域，特别是拓扑控制技术领域。具体涉及基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法。

背景技术

水声通信的传输网络是相关海洋数据获取的重要环节，高效、稳定、可靠的海洋信息传输技术将大力支撑多种海洋科学场景，如环境监测与生态保护、资源探索与开拓、港口管理和军事防御等，网络技术在水声通信领域有着举足轻重的地位。其中，网络拓扑控制是数据传输的基础，为数据的可靠传输提供技术支撑。它的主要任务是在满足网络连通性和网络覆盖性的条件下，使得网络中各个节点依据给定的规则从它的物理邻居节点间选取合适的逻辑邻居节点，形成一个优化的网络结构，以达到优化网络性能的目的。通过拓扑控制技术可以有效均衡和降低网络能耗、保证网络的整体连通性、降低网络通信干扰以及提高网络整体的可靠性，为网络上层应用提供良好基础。因此，设计合理可靠的拓扑控制算法对于水下无线传感器网络具有重要的科学和实际意义。

水下复杂的地理形态及空间媒介形态和水声特质的极大限制，导致水下网络面临着比陆地更严峻的难题与挑战。水声通信能耗大、能量补给及节点更换困难；水声信道的多普勒效应，具有很强的时-空变化，造成网络频繁中断；水下传感器网络常因能量耗尽、硬件故障或遭到破坏等原因导致节点失效，使得原本连通的网络分割，影响网络的全局连通性。因此，水下网络的拓扑控制与优化问题远比地面传感器网络复杂。

本发明提出了基于无标度网络和刚性图理论的水下健壮拓扑的生成策略，在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗，并设计失效节点的替换算法保证重点监测区域的全局覆盖。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出拓扑控制技术方案,加强对重点监测区域的监控力度，在提高网络鲁棒性的同时均衡节点能耗。为此，本发明采取的技术方案是，基于水声传感器网络的健壮拓扑生成方法，步骤如下：

一、拓扑生成阶段

水声传感器网络中靠近簇头的节点承担更多的转发任务，在拓扑生成阶段首先利用复杂网络理论生成网络拓扑，然后在重点区域构建刚性图，最后将孤立节点或连通子图连接到刚性图，生成水下传感器网络的初始拓扑，网络的节点度服从幂率分布；

二、数据传输阶段

传感器节点收集的数据按照贪婪算法选择的最优路径进行传输，以保证数据的传输能耗最少，当路径的传输概率PR_c(i,CH_k)ζ时，表示节点V_i发送的数据被成功接收，ζ为阈值常数，CH_k表示第k个簇头节点，PR_c(i,CH_k)表示从节点V_i到簇头节点CH_k的某条路径的通信概率；

每隔10秒，根据节点的剩余能量调整最优刚性图的拓扑结构，以均衡节点间的能耗；

当重点区域中某个节点的剩余能量低于0时，表示该节点死亡，影响重点区域的覆盖度和连通性，利用替换算法来保证重点区域的全局覆盖。

进一步地，