[发明专利]基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法

权利要求书

1.一种基于跨层协作的三维柱状水声传感器网络的寿命延长方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：接收水声信号，建立三维柱状水声传感器网络结构；

S2：基于S1的网络结构，网络中各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举，每个水平层面选举出一个簇头，同一水平层面内的其他节点加入该簇，形成簇头节点；

S3：所述簇头节点联合物理层的传输功率、数据链路层的数据传输流量、网络层的数据传输路径，进行跨层协作，获得使该层网络结构能耗最低的传输方案；

S4：基于S1和S3中的网络结构和传输方案，采用TDMA技术，计算出每个节点传输数据的最优时隙大小和时隙个数，即建立了时隙分配；

S5：垂直层面各层簇头节点组播S3和S4中的传输方案和时隙分配，水平层面处于同一层次的节点将数据传送给簇头节点，各层簇头节点通过多跳的方式将数据传送给水面的基站；

S6：当S5结束后，判断各层簇头的剩余能量是否低于阈值，若是，则返回S2重新选举簇头，否则返回S3继续按步骤执行；

S7：所述水声信号通过上述三维柱状水声传感器网络结构进行处理，输出；

所述S3具体如下：

S3-1：建立三维柱状水声传感器网络寿命最大化模型为：

其中，为网络中节点的总数目，表示对网络中传输数据的链路定义的维链路流量矩阵，其中为链路总数；最大能耗，记为；

S3-2：建立物理层的传输功率与信道容量的限制关系：

水声信道中的信噪比函数表示为：

其中，表示信号传输距离，表示节点的传输功率，为水声信道路径损耗经验公式， 为水声信道的噪声经验函数，表示以信号频率为中心的窄带带宽；

水声信道中链路的可用信道容量表示为:

其中，表示水声信道中信号传输距离为，信号频率为时的信噪比；

S3-3：建立数据链路层的传输流量限制关系：

所有的传感数据都应该转发到簇头节点，所以传输流量限制关系表示为：

其中，代表一个时隙内，节点到节点传输的数据量，且；是向节点传输数据节点的集合，是节点传出数据节点的集合；表示节在一个时隙内生成传感数据的比特数；

S3-4：建立网络层的数据传输路径限制关系：

在同一水平层面上，处于柱状网络边缘的传感器节点需要通过多跳的方式将数据传送给簇头节点，节点选择下一跳时应遵循以下公式：

其中，为节点在水平层面上的位置坐标，为节点的任一邻居节点水平层面的位置坐标；

所述S4具体如下：

S4-1：计算节点传输数据的最优时隙大小：

水声信道环境下，对于三维柱状水声传感器网络中的节点存在一个最优的数据发送时隙大小使得节点在一个帧内能耗最小化；最优值表示为：

其中，为节点发送数据包的大小，为节点在一个帧内传输数据的速率，代表声音在水中的传播速度；

S4-2：计算节点传输数据的最优时隙个数：

当网络数据流量分布固定的条件下，对于网络节点存在一个最优的数据发送时隙个数使得节点在一个帧内能耗最小化；最优值表示为：

其中，为三维柱状水声传感器网络的系统带宽，为节点i 在一个TDMA帧内传输数据所用的时间。

2.如权利要求1所述的寿命延长方法，其特征在于，所述S1中，建立三维柱状水声传感器网络结构模型：三维柱状水声传感器网络结构由多层集群组成，部署在离海面不同的深度；每个集群进一步由水平平面上若干数量的节点组成，节点距柱中心的最大距离为 米；在三维柱状水声无线传感器网络中，多个这样的簇集群垂直排列在彼此下方，两个连续簇集群之间的垂直距离用米表示，圆柱的总深度用米表示，圆柱半径用米表示；从顶部到底部，网络的各层被表示为深度1、深度2、深度3；网络中的总深度由T表示，节点的地址配置为TXX，其中T表示深度数，XX表示两位数的节点编号；上述网络中所有传感器节点的位置固定，且部署时已配备其位置信息。

3.如权利要求1所述的寿命延长方法，其特征在于，所述S2具体如下：

S2-1：阈值T（n）的计算：

各水平层面执行LEACH-DEECF算法进行簇头选举，算法执行的每个周期中，在簇头选举阶段，每个节点会随机产生一个(0,1)之间的随机值，将产生的值与阈值T(n)进行比较，如果小于阈值，该节点将成为簇头节点；阈值T(n)的计算如下所示：

其中，为该水平层面网络中节点的数目，为簇头节点数与节点总数的比值，表示已经进行的轮数，表示在当前轮次中已经做过簇头的节点个数；为这轮循环中未当选簇头节点的集合；代表连续没有当选过簇首的轮次，一旦当选为簇首节点，重置为；表示节点当前剩余能量，表示节点初始的总能量；

代表能量-距离均衡因子，其计算方式如下:

其中，为节点在三维空间中的位置坐标，为节点所在层的上一层的簇头节点在三维空间中的位置坐标；

S2-2：各个水平层面根据阈值T(n)选举出簇头后，同一水平层面内的其他节点加入该簇。