[发明专利]基于IM-kmeans集群路由策略延长水下无线传感器网络寿命的方法

说明书

本发明公开了基于IM‑kmeans(an improved k‑means cluster routing strategy forunderwater mobile nodes)集群路由策略延长水下无线传感器网络寿命的方法，包括如下步骤：步骤1：根据综合因素划分集群；步骤2：计算每个集群状态，并在考虑无线传感器节点移动的情况下选择簇头；步骤3：信息传输，所述信息传输包括：簇内信息传输和簇间的信息传输，其中簇内信息传输将信息通过单跳传输到簇头，簇间的信息传输通过概率路由算法，簇头通过一跳或者多跳的形式传输到sink节点或基站。该方法适用于水下移动的无线传感器网络中，通过对水下无线传感器通信的控制及水下传感器节点的位置预测来延长传感器网络生命期。

技术领域

本发明公开涉及水下传感器网络通信技术领域，尤其涉及基于IM-kmeans集群路由策略延长水下无线传感器网络寿命的方法。

背景技术

水下无线传感器网络(underwater acoustic wireless sensor network UWSN)在探索海洋科学中有着巨大的潜力，被广泛应用于海洋军事防御系统、海岸线监视、保护海洋资源勘探、海洋环境监测及辅助导航等方面。水下无线传感器网络的通信方式主要有三种：声波、电磁波和光波，其中声波通信被广泛采用。虽然电磁波和声波都可以携带较大量的信息，但是电磁波的频率相对较高，在信息传输的过程中频率衰减速度快、多径效应严重；光波在水中容易受到反射、折射、散射等因素的影响，信道的穿透力较差，因而都不适用与长距离的水下通信。声波传输速度较慢，但衰减缓慢，适用于水下环境长距离信息传输。

路由协议是水声传感器网络进行信息传递过程中遵循的基本规则，如何在特殊的水下环境中设计合适的网络协议是水声传感器网络研究的核心内容。由于水下的声学通信环境，与传统陆地上的电磁波通信环境存在着巨大差异，传统的路由协议无法直接应用到水下网络。因而，路由协议成为水声传感器网络协议的重要内容之一。路由协议的设计过程不仅要考虑数据的传输效率，还要充分考虑到水声传感器网络对节能性与可靠性的要求，这些因素都直接影响着网络的综合性能，因此水声传感器网络路由协议存在着巨大的研究价值。

水下无线传感器网络主要是通过人工或者飞行器的方式部署在目标水域中，对水域状况进行检测。网络体系结构包括一个浮在海面的宿节点，该宿节点通过微波链路与陆上监测站进行通信，并通过声无线信道与水下传感器节点进行通信。UWSN中的节点通过一跳或多跳机制完成信息传输。接收器节点对收集的信息执行数据融合，然后将数据发送到对接的陆地基站，卫星或数据处理中心。水下声传感器节点主要完成数据的收集和传输。水中传播的电磁波的衰减非常大，因此声波主要用于水下通信。水中声波的速度约为1500m/s，与空气中无线电波的速度相差5个数量级。声波在水中进行通信具有较大的延迟和较小的有效通信半径。受恶劣的水下通信环境影响，水下声学通道具有可变性，高噪声和强大的多径等特性，导致水下通信过程中的误码率较高。

水下传感器节点通常布置在人迹罕至的海洋区域，每个水下传感器节点都配置了声调制解调器和相应的电池。一旦节点部署好，受水下恶劣环境的影响，更换电池将会是一件较为困难的事。现有的水声通信技术具有带宽容量有限、误码率高、时延可变、通信功率大等特点。这些原因会导致水下无线传感器网络的能量消耗增加，而多数节点的能量耗尽意味着整个网络的死亡。因为能耗的消耗与网络的生存周期息息相关。因此，针对UWSN节点能量和资源有限的情况，如何降低和平衡节点的能量消耗，延长网络生命周期，成为水声传感器网络研究中的一个热点。