一种基于漂浮线缆的海洋立体监测传感器网络部署方法

摘要

本发明提供了一种基于漂浮线缆的海洋立体传感器网络部署方法，其特征是：将若干线状组合节点部署于海洋中，其中，每一所述线状组合节点包括漂浮在海面的水面节点、固定在线缆上的多个缆上水下节点、以及海底节点组成，水面节点、缆上水下节点和海底节点通过缆绳串接成线状组合节点，线状组合节点通过海底锚块固定在海底。该部署方法依据线状组合节点海洋漂浮特性和海洋监测覆盖要求，得出最优海面覆盖节点数目及三维立体覆盖所需节点监测半径条件。本发明可满足海洋监测长时间部署需要，部署成本及算法开销低，监测效率高，可以应用于海洋环境监测、海洋灾害监测与避免、海洋军事安全探测与监视等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋监测无线传感器网络技术，尤其涉及一种海洋监测无线传感器网络的部 署方法，具体涉及一种基于漂浮线缆的海洋立体监测无线传感器网络部署方法，可以应用于 海洋环境监测、海洋灾害监测与避免、海洋安全探测与监视等领域。

背景技术

海洋传感器网络(Ocean Sensor Networks,OSNs)是将无线传感器网络(Wireless Sensor  Networks,WSN)部署到复杂可变的海洋环境中，实现小尺度近距离对海洋环境进行实时监测 的一种传感器网络。海洋无线传感器网络一般包括水面无线传感器网络和水下无线传感器网 络。水面无线传感器网络一般使用无线电进行通信和组网，而水下无线传感器网络目前主要 利用水声实现通信和组网。尽管海洋传感器网络具有难度最大的无线通信信道，比如其海洋 水声通信信道具有高时延、时延动态变化、高衰减、高误码率、多径效应、多普勒频散严重、 信道高度动态变化以及低带宽等特点，但由于海洋传感器网络可以近距离高密度进行海洋监 测应用的部署，能够监测诸如风向、波高、潮汐、水温、光照、水质污染、安全闯入等与海 洋相关的信息，可以真正实现海洋数据的实时采集处理，近年来随着世界各国对于海洋权利 的日益重视，在环境监测、结构检测、军事监视、灾难避免等领域得到快速发展。

但由于海洋复杂多变的恶劣环境，在海洋上部署可以实现监测的传感器网络不是一个轻 而易举的事情，尤其是部署海洋立体监测网络尤为困难。一般来讲，在部署海洋立体监测网 络时，可以使用自由漂浮节点、自主航行器(AUVs)、或者采用固定部署方式。由于海流的作 用，自由漂浮节点会随着海流自由移动，从而最终会超出通信半径而失去联系，因此不适合 需要长期监测的部署情况。而AUV目前价格昂贵，部署一个长期监测网络不太现实。而过去 固定部署方式，一般采用单一浮标式节点部署方式，不能够满足对于海洋立体监测的需要。 另外一个方面，由于海洋监测网络往往需要结合水面网络和水下网络，使用不同的通信方式， 如何根据海洋监测需要，将两种网络结合起来进行有效部署，也是需要研究的问题。此外， 由于海洋的海浪、潮汐、水下的海流、洋流等影响，对于部署海洋立体监测网络都需要充分 考虑，比如上述因素会导致部署节点移动，但如果能够利用这些移动变害为利，对于部署海 洋无线传感器网络的实际应用具有重要意义，是目前该领域的一个重要研究方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种海洋传感器网络的部署方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于漂浮线缆的海洋立体传感器网络部署方 法，其特征是：

将若干线状组合节点部署于海洋中，其中，每一所述线状组合节点包括漂浮在海面的水 面节点、固定在线缆上的多个缆上水下节点、以及海底节点组成，水面节点、缆上水下节点 和海底节点通过缆绳串接成线状组合节点，线状组合节点通过海底锚块固定在海底；

线状组合节点采用低功率通信模式由水面节点采用水声通信方式发起组内节点组网，海 底节点及线缆固定节点采用多跳方式与水面漂浮节点形成线状多跳网络；

所述的水面节点采用高功率通信模式实现水面组网，根据水面漂浮特性，调整监测半径 满足水面覆盖要求；

缆上水下节点根据漂浮特性及覆盖要求，调整监测半径及通信半径，实现水下网络立体 覆盖监测；

部分水面节点配备GPS定位装置及远距离通信装置。

其中水面节点具有两种无线通信方式，无线电通信方式用于水面节点间的通信，水声通 信方式与线缆上水下节点以及海底节点实现通信。

进一步的，线状组合节点在海域内矩形部署，通过海深h，最大潮高h_tide和缆绳余量l_m确 定缆绳的长度l＝h+h_tide+l_m，并通过缆绳的长度和海深得出水面节点的最大漂浮半径 相邻的水面节点之间的距离L_AB需要满足

并且水面节点选择适合的功率实现水面组网，根据水面漂浮特性，调整监测半径满足海 面全覆盖要求，水面节点的通信半径和监测半径分别为ComR,SenR，实现全覆盖的满足条件为 $\mathrm{SenR}\ge \sqrt{2}\sqrt{l^2-h^2}+\frac{\sqrt{2}}{2}{L}_{\mathrm{AB}},$即$2\sqrt{l^2-h^2}<L_{\mathrm{AB}}\le \sqrt{2}\mathrm{SenR}-2\sqrt{l^2-h^2}.$

在目标区域为L×W的海域内全覆盖的最小节点数

线状组合节点的缆上水下节点位于水下，在水下进行全覆盖，一条线状组合节点上部署 有N_l个节点，则节点的间隔为Δh则可得通过节点间隔Δh得出缆上水下节点水 下全覆盖的条件。进一步的，水面节点采用高功率通信模式实现水面组网，根据水面漂浮特 性，调整监测半径满足水面覆盖要求；

监测信息经网络融合后，通过具备远距离通信装置的节点发往终端用户。

本发明将若干线状无线传感器组合节点进行部署，其中，每一所述线状组合节点由多个无 线传感器节点与缆绳固定在一起，节点包括漂浮在海面的水面无线传感器节点、水中无线传 感器节点和与海底锚块固定在一起的海底无线传感器节点组成。漂浮在水面的无线传感器节 点与水面浮标在一起，部分节点配备GPS定位装置及与卫星等的远距离无线通信方式。部署 在水下的节点采用水声通信方式，节点均匀固定在线缆上，该线缆将海底锚块和水面浮标连 接在一起。该部署方法依据线状组合节点海洋漂浮特性和海洋监测覆盖要求，得出最优海面 覆盖节点数目及三维立体覆盖所需节点监测半径条件。本发明可满足海洋监测长时间部署需 要，部署成本及算法开销低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种海洋立体传感器网络部署方法实施例的流程示意图；

图2是本发明线状组合节点的结构示意图；

图3是线状组合节点在长时间内浮游位置示意图；

图4是线状组合节点针对不同潮高和绳长余量下最大浮游半径示意图；

图5是实施例的平面部署示意图；

图6是实施例的立体部署示意图；

图7是实施例节点间防止缆绳缠绕距离示意图；

图8是海面覆盖最小监测半径示意图；

图9是海面覆盖最小部署节点数目示意图；

图10是节点巡游面积示意图；

图11是水下覆盖监测半径示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的一种基于漂浮线缆的海洋立体传感器网络部署方法的实施例的流程 示意图，如图1所示，该方法包括步骤：

P1、将若干线状组合节点部署于海洋中，其中，每一所述线状组合节点包括漂浮在海面 的水面节点、固定在线缆上的多个水声传感器节点与所述水面节点连接的部署并固定于海底 的海底节点组成，部分水面节点配备GPS定位装置及远距离通信装置。

参考图2，其中，所述线状组合节点由水面节点、线缆上水下节点和海底节点组成，所 述缆绳将海底锚块和水面节点连接。水面节点具有两种无线通信方式，其中无线电通信方式 用于水面节点间的通信，水声通信方式与水下线缆上水下节点以及海底节点实现通信。线状 组合节点具有将水下网络和水面网络结合的优点，可以充分利用两种网络的各自优势。部分 水面节点配备GPS定位装置及远距离通信装置，GPS定位装置使得水面节点定位自身位置， 远距离通信装置可以将部署的网络监测信息实时发送到用户手中。

可选的，配备GPS定位装置和远距离通信装置的水面节点可以配备太阳能电池装置也是 一种选项。进一步可选的，通过选用可以传输电能的电缆，水下节点也可以在采用蓄电池的 基础上，将水面能源作为一种后备补充电源，这取决于部署监测时间、成本等因素。

水面节点固定在水面浮标上，缆绳连接水面浮标和水下锚块，以使水面节点在可控范围 内随海浪移动。图3显示了线状组合节点部署后，受海浪、潮汐等影响水面漂浮节点在长时 间内浮游位置示意图。其中，h为海深，l为绳长，r为最大浮游半径。根据几何定理，可以 得到：

$r=\sqrt{l^2-h^2}$  式(1)

考虑到在实际部署时，缆绳的长度要有一定的余量，以防止海浪将缆绳拉断。在其他一 些情况下，额外增加缆绳长度，可以扩大线缆节点的巡游面积。具体考虑到海深和潮汐的影 响，实际缆绳的长度为l＝h+h_tide+l_m，其中h_tide为最大潮高，l_m为缆绳余量。

图4显示了水面节点最大浮游半径与海深、潮高、缆绳余量的关系。海深设置为20m到 100m，潮高与缆绳余量分别组合设置了3种情况。从图中可以看出，随着海深的增加，节点 最大浮游半径也相应增大。而当固定海深和缆绳余量时，随着潮高的增加，节点的最大巡游 半径相应增加。总得来说，海深、潮高与缆绳余量都会对节点的最大巡游半径有所影响，但 在这些因素中，显然海深是最为关键的影响因素。需要指出的是，在实际部署时，不同地方 的海深、潮高会有所不同，因此，实际缆绳长度的选择都要充分进行预先考虑，并且这些都 会影响水面漂浮节点的实际漂浮位置。

由于该网络的部署可以是人工船舶或者飞机撒播方式，但如同其它的网络部署一样，网 络的部署会影响到网络的组网和工作情况。本实施例讨论按照图5所示矩形区域部署的情况， 其它部署情况可以按照本实施例加以扩展应用。矩形区域部署具有部署简单，区域覆盖简便 的特点。图5是实施例的平面部署示意图，而图6是实施例的立体部署示意图。

当水面节点在部署完成后，具有随海流可控移动的特点，为防止节点在部署后，由于移 动位置过于接近而造成缆绳缠绕，具体矩形部署距离需要满足一定条件。如图7所示，A、B、 C、D为一个矩形相邻部署的4个节点，为了防止节点间的缆绳缠绕在一起，节点A和节点B 部署距离设为L_AB，则需要满足：

$L_{\mathrm{AB}}>2r=2\sqrt{l^2-h^2}$  式(2)

P2、线状组合节点采用低功率通信模式由水面节点采用水声通信方式发起组内节点组网， 海底节点及线缆固定节点采用多跳方式与水面漂浮节点形成线状多跳网络。配备GPS定位装 置的水面节点获取位置信息。配备远距离通信装置的节点建立远距离通信方式。海面节点选 择适合的功率实现水面组网，根据水面漂浮特性，调整监测半径满足海面覆盖要求。具体包 括如下步骤：

P21、线状组合节点采用低功率通信模式由水面节点采用水声通信方式发起组内节点组 网，由于水面节点拥有水声通信模块，并且缆绳节点及海底节点均拥有整个网络唯一的ID物 理地址，并在部署前已知，因此使用简单的组网方式，比如呼叫、应答方式，即可将本线状 组合节点可靠无线连接。而由于线状组合节点内通过无线通信方式告知各自ID号，因此海底 节点及线缆固定节点可以采用多跳方式与水面漂浮节点形成线状多跳网络，而多跳方式由于 通信距离短，可以有效节省节点能耗，延长整个网络的生存时间。而目前关于多跳网络已经 有很多研究，本发明不再赘述。

P22、配备GPS定位装置的水面节点获取位置信息。配备远距离通信装置的节点建立远距 离通信方式。由于海洋监测应用需要监测事件发生的位置信息，因此，部分节点配备GPS定 位装置，以获得水面节点的即时位置信息，尽管水面节点会随海流漂移，但在某个具体时间 发出其即时位置信息，从而海底节点可以利用这些水面定位信息，进行自身定位。鉴于目前 关于水下定位已经有很多研究，本发明也不再赘述。配备远距离通信装置的节点建立远距离 通信通道，以便网络建立后的监测信息或者对于网络的远距离控制信息及时送达。

P23、海面节点选择适合的功率实现水面组网，根据海面漂浮特性，调整监测半径满足海 面覆盖要求。

本实施例采用如图5所示矩形部署，根据具体应用的不同，对于水面覆盖具有不同的要 求，一般而言，需要将节点部署的区域实现全覆盖，也即在监测区域发生事件后，能够保证 至少被一个节点监测到。全覆盖通过部署冗余节点很容易扩展到k-覆盖。如图5所示，如果 部署两行平行的节点所形成的区域满足全覆盖，那么部署k+1行节点就可以实现k-覆盖。

全覆盖涉及到节点的通信半径和监测半径，我们设水面节点的通信半径和监测半径分别 为ComR,SenR，并假设SenR≤ComR。为简化说明，我们取矩形部署的相邻的4个节点，如 图8所示，可以证明，如果要实现全覆盖，只要满足：

$\mathrm{SenR}\ge \sqrt{2}\sqrt{l^2-h^2}+\frac{\sqrt{2}}{2}{L}_{\mathrm{AB}}$  式 (3)

结合利用式(2)、式(3)可以得到实现全覆盖的部署条件：

$2\sqrt{l^2-h^2}<L_{\mathrm{AB}}\le \sqrt{2}\mathrm{SenR}-2\sqrt{l^2-h^2}$  式 (4)

根据上述全覆盖的部署条件，对于确定的部署海域，可以根据上述条件，对于节点的部 署距离加以控制，以满足全覆盖的部署条件。进一步可选的，对于配备通信半径和监测半径 可以选择控制的节点，尽管通常会增加额外的费用，可以在部署之后，通过所配置的海底压 力传感器获得部署海深等现场数据参数，根据上述公式，确定合适的发射功率和监测距离， 既满足覆盖要求，又使得能耗达到最小，从而延长整个网络的生存周期。

相应的，依据所获得条件，容易得到在部署一个固定的矩形区域所需要的最小节点数目。 假设需要部署节点的目标区域为L×W，可以得到实现全覆盖所需最小节点数目N_min为：

  式(5)

图9显示了满足全覆盖所需最小节点数目情况，其中部署面积为5000m×200m，水深 分别取50m，70m，90m进行了对照，最大潮高和绳长余量分别取h_tide＝3m,l_m＝3m。从图中可 以看出，随着监测半径的增加，所需部署最小节点数目会有所下降。而对于同等情况下，随 着海深的增加，所需节点的最小部署数目也会有所增加。

P3、水下节点根据漂浮特性及覆盖要求，调整监测半径及通信半径，实现水下网络立体 覆盖监测。监测信息经过网络融合后，通过具备远距离通信装置的节点发往终端用户。

基于漂浮线缆的海洋立体传感器网络不仅仅要实现水面的节点覆盖，根据具体应用要求， 水下监测区域也要实现覆盖要求。水下覆盖与线缆上部署的节点密度有关，为方便起见，我 们假设线缆上的节点是均匀部署的，并假设部署了N_l个节点，则节点的间隔为Δh则可得 Δh的大小会影响线缆上水下节点的部署数目，并且能够影响水下节点需要满足 覆盖条件时的监测半径。具体而言，如果Δh变小，所需节点数目增多，监测半径可以降低， 成本会有所增加，但网络部署后节点近距离巡游监测的面积也会相应增大。图10显示了在不 同情况下，采用不同的Δh，节点巡游面积的大小情况。

由于水下监测的覆盖问题与应用相关，我们就闯入监测应用讨论水下覆盖问题，对于其 他具体应用，可以根据需要进行类似讨论。对于闯入监测而言，闯入物体进入立体监测网络 一般会有一个闯入闯出过程，因此，对于这种应用仅仅需要实现闯入闯出面的全覆盖。如图 11所示，我们取在水面垂直面上相邻部署的4个节点，A、B、C、D，其中节点A和节点B部 署在水面上，节点F和节点E是其对应的响应线状组合节点邻居节点。r,r_F分别是节点A和 节点B以及节点E和节点F的最大漂浮半径。假设部署海深为h，可以得到：

$r_F=\frac{h-\mathrm{\Delta h}}{h}\times r$  式(6)

如图11所示，节点B和节点F的最大距离记为L_B'F'，我们设水下节点的通信半径和监 测半径分别为ComRU,SenRU，并假设SenRU≤ComRU，则如果要实现闯入面的全覆盖，只 要满足：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{SenRu}>\frac{1}{2}{L}_{B^{\prime }{F}^{\prime }}\\ =\frac{1}{2}\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+r_F+r)}^2+{\left(\mathrm{\Delta h}\right)}^2}\\ =\frac{1}{2}\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+\frac{2h-\mathrm{\Delta h}}{h}\sqrt{l^2-h^2})}^2+{\left(\mathrm{\Delta h}\right)}^2}\end{array}\right)$  式(7)

本发明提供了一种基于漂浮线缆的海洋立体无线传感器网络部署方法，包括步骤：将若 干线状无线传感器组合节点进行部署，其中，每一所述线状组合节点由多个无线传感器节点 与缆绳固定在一起，节点包括漂浮在海面的水面无线传感器节点、水中无线传感器节点和与 海底锚块固定在一起的海底无线传感器节点组成。漂浮在水面的无线传感器节点与水面浮标 在一起，部分节点配备GPS定位装置及与卫星等的远距离无线通信方式。部署在水下的节点 采用水声通信方式，节点均匀固定在线缆上，该线缆将海底锚块和水面浮标连接在一起。该 部署方法依据线状组合节点海洋漂浮特性和海洋监测覆盖要求，得出最优海面覆盖节点数目 及三维立体覆盖所需节点监测半径条件。本发明可满足海洋监测长时间部署需要，部署成本 及算法开销低，监测效率高，可以应用于海洋环境监测、海洋灾害监测与避免、海洋军事安 全探测与监视等领域。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他 性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的 要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该 要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。上述本发明实施例序号仅仅为 了描述，不代表实施例的优劣。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭示的方 法可以通过其它的方式实现。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤， 能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换 性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的步骤。这些功能究竟以硬件还是软 件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定 的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结 合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块， 或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、 电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所 公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。