面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法

摘要

本发明公开了面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，属于水下无线传感器网络拓扑控制的技术领域。本发明针对水下无线传感器网络中节点的多样化覆盖需求问题，首先计算每个节点的覆盖能力，根据覆盖能力大小按照从高到低顺序进行排序，依次调整每个节点的感知半径来满足周围邻居节点的覆盖要求，然后调整各节点的通信半径，使得最终得到一个满足连通和多样化覆盖的拓扑结构。本发明减少了计算量，适用于水下无线传感器网络的拓扑控制。

说明书

技术领域

本发明涉及面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，属于 水下无线传感器网络拓扑控制的技术领域。

背景技术

目前，国内外研究机构提出了一些关于无线传感器网络的拓扑控制方法，解 决了单连通和单覆盖问题。一种拓扑控制算法FiYG被提出用以解决水下三维传 感器网络的拓扑控制问题，该算法已经被证明是分布式的和有效的；2010年， 一种策略调整算法SAA被提出来形成单连通和单覆盖的拓扑结构，同时该结构 还可以优化时延、带宽等其他网络指标；Zhang等人研究了能够生成连通度不超 过4、单覆盖的网络结构的方法；Hefeeda提出一种概率式的拓扑控制算法PCMP， 该算法把点到点的传输率作为通信概率，该算法性能还可以通过引入一种特殊的 移动节点加以改善；G.Xing等人设计了一种可以根据需要的覆盖度来形成相应 网络拓扑的方法。然而，所有上述方法都没有考虑不同节点的覆盖度要求可能是 不同的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对水下无线传感器网络中节点覆盖度要 求可能存在差异的问题，提供了面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑 控制方法。

本发明具体采用以下技术方案：

面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，通过调整无线传 感器网络中N个节点的感知半径以及通信半径来实现网络的覆盖与连通，所述N 为正整数，具体包括以下步骤：

步骤A，无线传感器网络中各节点：初始化的感知半径为0，确定被覆盖度， 使用最大通信半径广播包含被覆盖度信息的覆盖请求报文；

步骤B，计算各节点单位空间内的覆盖能力，按照从高到低顺序给覆盖能力 排序，根据覆盖能力的排序依次调整每个节点的感知半径来满足周围邻居节点的 覆盖需求；

步骤C，以汇聚节点作为根，形成一棵最小生成树状的连通结构，并根据所 述连通结构设置各个节点的通信半径。

所述面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，所述步骤B 的具体实施方法如下：

步骤B-1，各节点根据收到的覆盖请求报文确定邻居节点集合，根据邻居节 点集合、最大感知半径、单位空间内邻居节点数量来计算出各节点单位空间内的 覆盖能力：

步骤B-2，按照从高到低顺序给覆盖能力排序，根据覆盖能力的排序依次遍 历每个节点，各个节点按照如下步骤调节感知半径来满足周围邻居节点的覆盖需 求：

步骤B-2-1，每个节点确定覆盖所有邻居节点的感知半径，并以最大通信半 径广播覆盖报文；

步骤B-2-2，所有收到覆盖报文的节点判断被发送覆盖报文节点覆盖的情况：

被覆盖的节点反馈确认信息至发送覆盖报文节点，收到覆盖报文节点关于发 送覆盖报文节点的被覆盖度取值减1，在被覆盖度取值降为0时广播无覆盖需求 报文；

步骤B-2-3，每个节点根据收到的反馈信息，计算反馈确认信息节点与自身 的距离，以最大距离为感知半径。

所述面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，步骤B-1中 邻居节点集合由下式确定：

Ne(i)={V_j|d(V_i,V_j)≤RS_χandK_j>0}∪V_i，

其中，Vi为第i个节点，V_j为第j个节点，K_j为第j个节点的被覆盖度，d(V_i,V_j) 为第i个节点与第j个节点之间的距离，RS_χ为两个节点之间的最大感知半径，1 ≤i、j≤N。

所述面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，步骤B-2-2 中所有收到覆盖报文的节点利用如下方法判断被发送覆盖报文节点覆盖的情况：

当发送覆盖报文节点的感知半径大于发送报文节点与接收报文节点之间距 离的时候，接收报文节点被发送报文节点覆盖；否则，接收报文节点未被发送报 文节点覆盖。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：先确定所有节点的感知半径， 满足节点的多样化覆盖需求，再根据最下生成树结构确定所有节点的通信半径， 形成一个连通的网络结构，这样的方法计算和通信消耗较少，适用于水下无线传 感器网络的拓扑控制。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明Coverage_Require报文结构示意图；

图3为本发明Coverage_Supply结构示意图；

图4为本发明No_Require结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

.如图1所示，面向多样化覆盖需求的水下无线传感器网络拓扑控制方法，通 过调整无线传感器网络中N个节点的感知半径以及通信半径来实现网络的覆盖 与连通，N为正整数，具体包括以下步骤。

步骤A，无线传感器网络中各节点：初始化的感知半径为0，确定被覆盖度， 使用最大通信半径广播包含被覆盖度信息的覆盖请求报文，即第i个节点Vi用 最大通信半径广播包含被覆盖度信息K_i的Coverage_Require报文。 Coverage_Require报文如图2所示，包括：报文类型、节点ID、节点坐标、被覆 盖度、当前感知半径、当前通信半径。

步骤B，计算各节点单位空间内的覆盖能力，按照从高到低顺序给覆盖能力 排序，根据覆盖能力的排序依次调整每个节点的感知半径来满足周围邻居节点的 覆盖需求：

步骤B-1，各节点根据收到的覆盖请求报文确定邻居节点集合，根据邻居节 点集合、感知半径、单位空间内邻居节点数量来计算出各节点单位空间内的覆盖 能力：

第i个节点Vi的邻居节点集合Ne(i)由下述表达式确定：

Ne(i)={V_j|d(V_i,V_j)≤RS_χandK_j>0}∪V_i，    （1），

式（1）中，V_j为第j个节点，K_j为第j个节点的被覆盖度，d(V_i,V_j)为第i 个节点与第j个节点之间的距离，RS_χ为两个节点之间的最大感知半径，1≤i、j ≤N；

第i个节点Vi在单位空间内的覆盖能力为U(i)：

$U\left(i\right)=\frac{\left|\mathrm{Ne}\left(i\right)\right|}{\frac{4}{3}{\mathrm{\pi RS\chi }}^3}---\left(2\right),$

式（2）中，RSχ为第i个节点Vi的最大感知半径，为一经验值。

步骤B-2，按照从高到低顺序给覆盖能力排序，根据覆盖能力的排序依次遍 历每个节点，各个节点按照如下步骤调节感知半径来满足周围邻居节点的覆盖需 求：

步骤B-2-1，每个节点确定覆盖所有邻居节点的感知半径，并以最大通信半 径广播覆盖报文，即为如图3所示的Coverage_Supply报文，包含报文类型、节 点ID、轮次、感知半径信息；

由式（3）得到第i个节点Vi的感知半径RS(i)：

RS(i)=max{d(V_i,V_j)|V_j∈Ne(i)}    （3），

步骤B-2-2，所有收到覆盖报文的节点判断被发送覆盖报文节点覆盖的情况： 发送覆盖报文节点的感知半径大于发送报文节点与接收报文节点之间距离的时 候，判定接收报文节点被发送报文节点覆盖：

被覆盖的节点反馈确认信息至发送覆盖报文节点，收到覆盖报文节点关于发 送覆盖报文节点的被覆盖度取值减1，在被覆盖度取值降为0时广播无覆盖需求 报文，即为如图4所示的No_Require报文，包含报文类型、节点ID、轮次、被 覆盖度信息；

步骤B-2-3，每个节点根据收到的反馈信息，计算反馈确认信息节点与自身 的距离，以最大距离为感知半径。

步骤C，以汇聚节点作为根，形成一棵最小生成树状的连通结构，并根据所 述连通结构设置各个节点的通信半径。该步骤可以采取Prim算法完成，即从汇 聚节点出发，选择与它关联的具有最短距离的节点加入顶点集合中去，不断地扩 展顶点集合直至包括了全部节点。最后，对该图中任何节点，其通信半径都设置 为最长的链接长度。

综上所述，先确定所有节点的感知半径，满足节点的多样化覆盖需求，再根 据最下生成树结构确定所有节点的通信半径，形成一个连通的网络结构，这样的 方法计算和通信消耗较少，适用于水下无线传感器网络的拓扑控制。