阅读说明：本技术 一种面向动态水下环境的锚节点部署方法 (Anchor node deployment method for dynamic underwater environment ) 是由 刘春凤 邱铁 赵昭 曲雯毓 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种面向动态水下环境的锚节点部署方法,包括如下步骤：步骤1、随机部署水下节点并根据其位置划分普通节点和边缘节点建立锚节点模型；设N＝0；步骤2,对锚节点模型中每个节点进行广播自身相关信息同时接收和存储其他节点信息；步骤3,计算每个节点自身所受虚拟力的合力；步骤4,计算每个普通节点和边界节点预期移动距离；步骤5,根据节点的类型计算移动收益；步骤6,计算每个节点沿锚链移动距离；步骤7,判断每个节点是否满足N≥45,如果满足,则退出程序；否则返回步骤1,令N＝N+1；本发明提供了综合考虑节点密度、节点剩余能量和节点移动效果的移动效益函数,以此降低节点不必要的移动,并均衡节点剩余能量,达到降低和均衡能耗的目的。(The invention discloses an anchor node deployment method facing a dynamic underwater environment, which comprises the following steps: step 1, deploying underwater nodes randomly, and dividing common nodes and edge nodes according to the positions of the underwater nodes to establish an anchor node model; setting N as 0; step 2, broadcasting self-related information to each node in the anchor node model and simultaneously receiving and storing information of other nodes; step 3, calculating the resultant force of the virtual force borne by each node; step 4, calculating the expected moving distance of each common node and each boundary node; step 5, calculating the mobile profit according to the type of the node; step 6, calculating the moving distance of each node along the anchor chain; step 7, judging whether each node meets N not less than 45, and if so, exiting the program; otherwise, returning to the step 1, and enabling N to be N + 1; the invention provides a movement benefit function which comprehensively considers the node density, the node residual energy and the node movement effect, thereby reducing the unnecessary movement of the node, balancing the node residual energy and achieving the purpose of reducing and balancing the energy consumption.)

一种面向动态水下环境的锚节点部署方法

技术领域

本发明涉及水下无线传感网络技术领域，特别涉及一种面向动态水下环境的锚节点部署方法。

背景技术

水下无线传感器网络作为认识和了解海洋的便利工具，能够使人们更多地获得海洋信息，提高对海洋环境的监控和预测能力，帮助人们处理海洋突发事件等。其应用广泛，如海洋信息采集、环境监测、深海探测、灾害预测、辅助导航、分布式战术监控等。上述应用的前提是对相关海域进行有效环境监测，及利用水下无线传感器网络节点对相关海域进行有效覆盖。因此，水下传感器网络节点部署策略需要在以往研究工作上加大对提高动态水域下节点部署方面的研究。

在水下无线传感器网络节点部署过程中，节点通常被随机抛掷于海洋表面，然后通过一定的计算下沉到某个深度，以此覆盖水下监测区域。带有锚链的锚节点被广泛使用，其锚下沉到水底，节点被与锚相连的锚链固定，悬浮在水中，并且锚节点可以沿着锚链进行移动，调节自身位置，完成网络节点的部署。在这个过程中，波浪和洋流会对接节点下沉过程造成影响，节点无法到达指定位置，网络覆盖效果较差。同时在网络运行过程中，UWSNs的节点受洋流影响发生移动和偏移，造成网络覆盖率下降。此外，传感器节点由电池供电。在水下环境中，节点能量有限且充能困难。在节点部署过程中，节点移动的能耗远大于节点通信的能耗，及在保证网络覆盖效果的同时，需要进一步降低和均衡部署过程中的节点能耗，从而增加网络运行的时间。然而据我们所知，现有水下传感器网络部署策略为充分考虑水流移动对节点部署效果的影响，以及在网络运行过程中节点移动和偏移对网络覆盖的影响。如期刊“A Sensor Redeployment Algorithm Based on Virtual Forces forUnderwater Sensor Networks”提出了一种基于虚拟力的水下无线传感器网络节点部署策略，但是它采用的节点没有锚链限制，在网络运行过程中，水流会造成节点偏移，从而无法对相关水域进行长时间的有效监测。在由锚节点组成的水下无线传感器网络中，利用虚拟力策略进行节点部署需要对水下环境具体分析，重新设计节点部署流程。

发明内容

针对动态水域的水流造成的监测区域网络覆盖率低的问题，本发明提出了一种基于虚拟力的分布式水下无线传感器网络锚节点部署策略。在有效提高网络覆盖率的同时降低和均衡部署过程能量消耗。

为解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟力的水下锚节点部署策略。本发明根据节点偏移后的坐标与监测区域边界的距离关系对节点进行分类，在防止节点逃离监测区域的同时，减少不必要的节点移动，降低部署能耗；本发明设计了一种综合考虑节点密度、节点剩余能量和节点移动效果的移动效益函数，以此降低节点不必要的移动，并均衡节点剩余能量，达到降低和均衡能耗的目的。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于虚拟力的水下锚节点部署方法，包括以下步骤：

一种面向动态水下环境的锚节点部署方法，包括如下步骤：

步骤1，随机部署水下节点并根据其位置划分普通节点和边缘节点建立锚节点模型；设N＝0；

步骤2，对锚节点模型中每个节点进行广播自身相关信息同时接收和存储其他节点信息；

步骤3，每个节点通过如下公式计算自身所受虚拟力的合力；

步骤4，每个普通节点和边界节点通过如下公式计算预期移动距离；

步骤5，根据节点的类型通过如下公式计算移动收益；

步骤6，每个节点通过如下公式计算其沿锚链移动距离；

步骤7，判断每个节点是否满足N≥45,如果满足，则退出程序；否则返回步骤1，令N＝N+1。

所述步骤3中每个节点通过如下公式计算其与邻居节点间的虚拟力，即

所述步骤3中每个节点通过如下公式计算其与上下边界间的虚拟力，即

有益效果

1.本发明利用虚拟力理论设计一种适用于动态水下环境的锚节点部署策略，可以分布式地提升网络覆盖率。

2.本发明利用综合考虑节点密度、节点剩余能量和节点移动效果的移动效益函数去减少和均衡节点移动距离，从而达到降低和均衡节点能耗效果。

3、本发明旨在设计一种面向动态水下环境的锚节点部署方法，提高动态水域水下无线传感器网络覆盖率；降低和均衡锚节点部署过程能量消耗，延长网络运行时间。

附图说明

图1为节点部署策略的流程图；

图2为锚节点偏离静态位置图；

具体实施方式

以下结合附图，对依据本发明设计的节点部署策略的具体方式、结构、特征及作用详细说明如下。

本发明提供一种面向动态水下环境的锚节点部署方法，包括如下步骤：

如图1所示；步骤1：节点随机部署到监测区域的水面，并随机下沉到监测区域上半部分。每个节点根据自己海底锚的位置、水深、水流大小和水流方向去计算自己的坐标，并判断自身到四周监测区域边界的距离，不包含上下边界。如果两者距离小于最优边界距离d_ob，则将自己划分为边界节点；反之划分为普通节点。同时，令设N＝0；

其中，最优边界距离d_ob为节点感知半径的0.5倍。

步骤2：网络中所有节点将自身的节点ID、坐标、剩余能量、水流大小和水流方向以最大节点通信半径进行广播，同时接收和存储的其它节点的相关信息。

步骤3：每个节点根据节点锚链方向受力公式计算自身与邻居节之间的虚拟力并根据节点与上下边界间受力公式计算自身与上下边界之间的虚拟力最后根据合力公式计算出该节点所受合力

其中，节点i锚链方向受力公式具体为式(1)

式中τ表示节点i到节点j连线方向的单位向量与节点i到水底连线方向的单位向量的夹角；表示节点j施加到节点i上的力，并通过下式(2)得到

式中d_ij表示节点i与节点j之间的欧式距离；k_r和k_a分别为斥力调节系数和引力调节系数；d_th表示节点间受力阈值；R_c(i)表示节点i的通信半径。

其中，节点与四周边界间受力公式具体为式(3)

式中d_ibr表示节点i到上下边界距离；d_ob表示最优边界距离；k_b表示边界受力调节系数；α表示节点i受水流影响的垂直偏移角度。

其中，合力公式具体为式(4)

式中N(i)表示节点i的通信半径内的节点个数；表示节点间受力；表示节点与四周边界间受力。

步骤4：每个普通节点和受力方向向下的边界节点通过预计移动距离函数计算节点准备沿锚链移动的距离；然后通过移动效益函数计算自己的移动效益ω，受力方向向上的边界节点的移动效益为0；最后每个节点根据实际移动距离函数计算节点沿锚链移动距离，并进行移动。

其中，预计移动距离函数具体为式(5)

式中l_max表示节点单步移动最大距离；表示该节点的合力。

步骤5，节点移动效益函数具体为式(6)

式中λ移动效益调节系数，取值范围为[0,1]；θ_w1表示节点移动前的所在深度的水流水平偏移角度；θ_w2表示通过预计距离函数得到节点移动后所在深度的水流水平偏移角度；θ_f表示节点所受其它邻居节点合力的水平偏移角；ω_pe表示为节点密度-能量权值，由下式(7)计算得到

式中a和b分别表示节点密度调节系数和节点能量调节系数；p_b和p_s分别表示节点移动方向区域的邻居节点个数和节点反向移动方向区域的邻居节点个数；表示节点与邻居节点的剩余能量平均值；E_r表示节点剩余能量。

步骤6，实际移动距离函数具体为式(8)

式中ω表示节点移动效益；l_max表示节点单步移动最大距离；表示该节点的合力。

步骤7：周期性重复步骤1、2、3和4；直至最大迭代次数，迭代次数为45 次，即N≥45。在此过程中，最大抖动次数被设定为5，当一个节点反复上下次数大于最大抖动次数时，该节点被设定为已达到受力平衡状态，该节点将不再进行移动。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。