适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法

技术领域：

本发明主要涉及水下无线传感网络技术领域，尤其涉及适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法。

背景技术：

水下无线传感器网络是获取海洋数据的重要途径之一，它能够实时、便捷的为各种海洋应用场景提供所需要海洋数据，例如海啸预警、鱼群监测、海底资源勘探、辅助导航以及水下入侵检测等。水下无线传感器网络通常包括水下数据感知、水下数据传输、水面数据汇聚、以及数据处理和应用四个环节。在一个典型的水下数据产生和水下传输过程中，水下传感器节点首先将有价值的水下信息数据进行感知，然后通过多跳传输方式或水下移动节点辅助收集方式将这些数据传递到水面汇聚节点。由于水下移动节点通常是移动缓慢的，因此多跳传输方式更适用于时延敏感数据的传递。

本发明应用场景为多跳传输方式的水下无线传感器网络。许多水下无线传感器网络通常部署在复杂多变且无人现场监管的海洋环境中，受到海洋环境因素或敌对势力的蓄意破坏易导致大量水下传感器节点失效，从而使整个水下无线传感器网络被分化成若干个互不连通的子网络，这将致使许多具有重要价值且时延敏感的水下数据无法继续被及时的发送到水面汇聚节点。如何对遭受破坏后的互不连通的子网络进行修复，使其能够可靠的向水面汇聚节点发送数据是非常具有挑战性的工作。主要原因有两点，首先，低质量的水下无线信道容易造成数据在转发过程中的重传问题，严重影响数据效率和成功率。其次，洋流运动引起的水下节点移动易干扰拓扑修复过程，并破坏网络拓扑连通性，降低水下无线传感器网络的数据传输的可靠性。

水下无线传感器网络拓扑修复的常用方法之一是部署额外的水下修复节点去连通所有互不连通的子网络和水面汇聚节点，使水下数据能够继续被可靠的发送到水面汇聚节点。通过对相关调研，现有的水下无线传感器网络拓扑修复策略主要考虑如何部署最少数量的水下修复节点去连通所有互不相连的水下子网络，缺乏考虑水下信道特征引起的通信质量差以及动态水流引起的中继节点位置偏移对传输可靠性的影响。如期刊论文“ATCFS:Effective Connectivity RestorationScheme for Underwater AcousticSensorNetworks”提出了一种以最小化部署成本(部署最少数量的水下修复节点)为目的水下无线传感器网络连通修复策略。该论文设计一种基于最小生成树和费马点选择的启发式策略，在该策略运行过程中，水面修复节点下沉到指定深度去修复网络拓扑连通性。但是，该策略网络模型简单，没有考虑水下信道质量以及水流运动对于部署成本和部署效果的影响，易造成修复完成的网络的传输可靠性差以及修复节点部署成本高等问题。针对现有水下无线传感器网络的拓扑修复策略所存在的问题，本发明提出了适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法；它能有效保证网络传输可靠性，并降低部署成本。

发明内容：

为了解决现有技术问题，本发明提供适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，它能够通过分析水下子网络位置分布特征以及洋流运动特征，去尽可能少的部署修复节点，使网络恢复连通的同时具有可靠的数据传输性能。

本发明采用具有水下全向移动能力的水下移动设备作为水下修复节点去修复网络拓扑。本发明包含两个阶段：修复路径建立和修复节点布置。首先在修复路径建立阶段，本发明设计了一个基于路径裁剪的修复路径生成方法，根据水下子网络的位置分布特征，构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径。该路径不仅能够修复水下子网络到水面汇聚节点的连通性，而且能够有效减少子网络到水面汇聚节点的传输跳数。然后在修复节点布置阶段，本发明设计了一个基于贪心移动的自适应水下修复节点布置方法，使节点间链路满足传输成功率要求的前提下，减少修复节点部署数量。经过上述两个步骤后，水下无线传感器网络拓扑能够被修复。如果海洋环境发生突变后，可以再次按照上述步骤进行网络拓扑修复。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，所述网络拓扑修复方法根据所有互不连通的水下子网络的位置分布特征构建连接所有子网络和水面汇聚节点的修复路径阶段过程：包括如下步骤：

步骤101：选定每个水下子网络的簇首节点并设定所有簇首节点的连接状态为激活状态；

步骤102：判断每个水下传感器节点到水面汇聚节点在时间段t内是否是传输可靠，若传输可靠的，则该水下传感器节点代替原先其所在水下子网络的簇首节点成为该水下子网络的新簇首节点，并将自身连接状态改为休眠状态；否则，进入下一步103；

步骤103：将汇聚节点设定为目标点，并定义一个空集合为该目标点的执行集合；将所有处于激活状态的簇首节点存入目标点执行集合中，并对目标点执行集合的簇首节点按照各自到达点目标点的欧式距离从大到小进行排序；

步骤104：选择目标点执行集合中排名最前面的且处于激活状态的簇首节作为当前执行节点，并定义两个空集合分别作为该执行节点的候选随从集合和随从集合；将目标点执行集合中其它处于激活状态的簇首节点存入该当前执行节点的候选随从集合中，对该当前执行节点的候选随从集合的簇首节点按照各自到达该执行节点的欧式距离从小到大进行排序；

步骤105：依次判断在当前执行节点的候选随从集合中的每个簇首节点是否能够加入到该执行节点的随从集合中过程：

将当前执行节点作为第一个元素存入它的随从集合中；

选择候选随从集合中排名最前面的簇首节点作为候选节点，并计算当前执行节点的随从集合中所有元素与目标点组成的数据集的1-中位点；

计算该数据集所有元素到该1-中位点的距离和，并记为d

对比d

无论是否被添加到当前执行节点的随从集合中，该候选节点都从当前执行节点的候选随从集合中删除；重复该步骤直至当前执行节点的候选随从集合变为空集；

步骤106：重复步骤104-105直至执行集合变为空集；

步骤107：根据每个随从集合中的簇首节点信息，构建拓扑修复路径的过程；

步骤108：对于任意一个随从集合，将其对应的1-中位点作为新的目标点，并将这个随从集合变为执行集合；

步骤109：执行上述步骤103-108，直至该随从集合对应的执行集合变为空集；

步骤110：重复步骤109，直至所有随从集合对应的执行集合变为空集；

步骤111：重复上述步骤109-110，直至所有CN的连接状态为休眠状态；将上述步骤中生成的所有目标点存入分支点集合的空集合中。

2、根据权利要求1所述的适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，其特征在于，所述步骤107中根据每个随从集合中的簇首节点信息，构建拓扑修复路径的过程；包括如下步骤：

计算每个簇首节点个数大于1的随从集合中所有簇首节点与目标点组成的数据集的1-中位点；将目标点G和每个随从集合的点P连接，构建修复路径；

分别判断每个随从集合中每个簇首节点到达点它所在随从集合的1-中位点在时间段t内是否传输可靠，若是传输可靠的，则将该簇首节点从对应的随从集合中删除，并将该簇首节点的连接状态改为休眠状态，将休眠的簇首节点和对应的随从集合的1-中位点连接，构建修复路径；

计算当前随从集合的簇首节点的个数，若为1，则将该随从集合中的簇首节点的连接状态改为休眠状态；将休眠的簇首节点和对应的随从集合的1-中位点连接，构建修复路径；

其中：在判断每个随从集合中每个簇首节点到达点中位点在时间段t内是否传输可靠的过程中，1-中位点看成一个位置不变的水下传感器节点。

3、根据权利要求1所述的适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，其特征在于，所述网络拓扑修复方法还通过贪心移动布置修复节点过程，包括如下步骤；

步骤201：在分支点集合中所有元素的位置坐标上部署一个分支节点，

步骤202：将每一级的分支节点作为初始节点，其下一级分支节点或同级叶子节点为终止节点；即所有修复路径的路段可以看成由一个初始节点和一个终止节点连接而成；

步骤203：每个与初始节点相连的终止节点判断自身到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则说明该修复路径的路段不需要再部署修复节点；若不是，则说明该段部署路径需要再部署修复节点去保障数据传输可靠性；

步骤204：在不满足传输可靠性的路段上部署修复节点使初始节点能够和终止节点可靠传输的过程：

在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上修复节点，判断该修复节点到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则该修复节点部署在该位置上；若不是，则该修复节点向着初始节点方向移动距离Δd；

Δd的表达式如下：

Δd＝mr (1)

式中：r为水下修复节点的通信半径；m是移动距离调节系数，通常设定其为等于或小于0.05的一个正实常数；

重复上述过程直至该修复节点移动到能够使其到达源节点是传输可靠的位置；

将该修复节点转化为初始节点，原先初始节点不再作为初始节点；判断该修复节点到达到其终止节点是否传输可靠，若可靠，则该路段完成修复节点部署；若不可靠，则继续在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上放置一个修复节点，重复上面移动环节完成该修复节点的部署；其中：

停止在该路段上添加修复节点的条件是存在一个RN达到其终止节点是传输可靠的为止；

步骤205：重复步骤204直至所有路径上的终止节点到达其初始节点是传输可靠的。

有益效果

1.本发明通过感知当前水下环境状态设计适用于动态水流场景的水下无线传感器网络拓扑修复方法，可以根据水下通信信道以及水流运动特征为水下无线传感器网络进行拓扑连通修复，能够提高传输可靠性的同时减少修复节点部署数量。

2.本发明在修复路径建立阶段设计的基于路径裁剪的修复路径生成方法，可以根据水下子网络在水下环境中的分布特征，构建连接子网络和水面汇聚节点的修复路径。该路径在保障网络连通性的同时，能够有效减少水下传感器节点到水面汇聚节点的传输跳数，从而提高数据传输可靠性。

3.本发明在修复节点布置阶段设计的基于贪心移动的自适应水下修复节点布置方法，可以在保障动态水下环境中的数据传输满足预定信噪比阈值要求，提高数据传输可靠性的同时，减少修复节点部署个数，降低网络成本。

附图说明：

图1为水下传感器移动模型图；

图2为本方法执行的流程图。

具体实施方式

本发明的目的通过以下技术方案来实现，包括以下步骤：

一、修复路径建立阶段

步骤101：选定每个水下子网络(USN)的簇首节点(CN)，并设定所有CN为连接状态为激活状态。

步骤102：判断每个水下传感器节点到水面汇聚节点(BS)在时间段t内是否是传输可靠的，如果是传输可靠的，则该水下传感器节点代替原先该USN的CN成为该USN新的CN，并将连接状态改为休眠状态。

其中每个水下传感器节点都被一个连接在水底的锚链固定，但水流会造成水下传感器节点发生位置偏移，节点偏移模型如图1所示。

其中水下传感器节点v

其中水下子网络(USN)被定义为任意一个USN内的水下传感器节点能够通过多跳方式相互通信，且分别属于不同USN的两个水下传感器节点不能通过多跳方式相互通信。

其中任意一个USN的簇首节点(CN)是指为了修复网络拓扑连通性而选择出来代表该USN的水下传感器节点，CN可以是该USN的一个或多个水下传感器节点，例如可以设定每个USN中剩余能量最多的水下传感器节点为CN。

步骤103：将BS设定为目标点G。然后将所有处于激活状态的CN存入目标点G执行集合中，并对目标点G执行集合的CN按照各自到达点G的欧式距离从大到小进行排序。

其中每个目标点G的执行集合初始化为空集。

步骤104：选择该执行集合中排名最前面的且处于激活状态的CN作为当前执行节点(EN)。将执行集合中其它处于激活状态的CN存入该EN的候选随从集合中，对该EN的候选随从集合的CN按照各自到达该EN的欧式距离从小到大进行排序。

其中每个EN的候选随从集合初始化为空集。

步骤105：对于当前执行节点EN和它的候选随从集合，首先将当前执行节点EN作为第一个元素存入它的随从集合中。然后选择候选随从集合中排名最前面的CN作为候选节点CA。计算EN随从集合中所有元素与目标点G组成的数据集的1-中位点，然后计算该数据集所有元素到该1-中位点的距离和，并记为d

其中每个EN的随从集合初始化为空集。

步骤106：重复步骤104-105直至执行集合变为空集。

步骤107：计算每个CN个数大于1的随从集合中所有CN与目标点G组成的数据集的1-中位点P。将目标点G和每个随从集合的点P连接，构建修复路径。然后分别判断每个随从集合中每个CN到达点对应点P在时间段t内是否传输可靠，若是传输可靠的，则将该CN从对应的随从集合中删除，并将其连接状态改为休眠状态即g＝0。将休眠的CN和对应的随从集合的点P连接，构建修复路径。然后，计算当前随从集合的CN个数，若为1，则将该随从集合中的CN的连接状态改为休眠状态即g＝0。将休眠的CN和对应的随从集合的点P连接，构建修复路径。

其中在判断每个随从集合中每个CN到达点对应点P在时间段t内是否传输可靠的过程中，点P看成一个位置不变的水下传感器节点。即只考虑CN受水流所发生的偏移。因此可以判断过程可以看成是判断一个SN到BS是否是传输可靠。

步骤108：对于任意一个随从集合，将其对应的P点作为新的目标点G，然后将这个随从集合变为执行集合。执行上述步骤103-107，直至该随从集合对应的执行集合变为空集。

步骤109：重复步骤108，直至所有随从集合对应的执行集合变为空集。

步骤110：重复上述步骤108-109，直至所有CN的连接状态为休眠状态。将上述步骤中生成的所有目标点G(除去水面汇聚节点)存入一个名为分支点集合的空集合中。

通过上述步骤，我们可以使每个子网络的CN直接或通过分支点集合中的元素与水面汇聚节点BS相连。接下来我们需要在修复路径上部署修复节点，使每个子网络的CN发送的数据包可靠的传输到BS。

二、修复节点布置阶段

步骤201：在分支点集合中所有元素的位置坐标上部署一个水下修复节点，并将这些水下修复节点称为分支节点KN。水面汇聚节点BS定义为0级分支节点KN_0。与KN_0相连的分支节点KN定义为1级分支节点KN_1。除KN_0外，与1级分支节点KN_1相连的分支节点称为2级分支节点KN_2。依次类推，每个分支节点能够获得自身的级数。然后，我们设定与某一级分支节点相连的SN为该级叶子节点。例如与某个2级分支节点KN_2相连的SN为2级叶子节点LN_2。

步骤202：将每一级的分支节点作为初始节点，其下一级分支节点或同级叶子节点为终止节点。即所有修复路径的路段可以看成由一个初始节点和一个终止节点连接而成。

步骤203：每个与初始节点相连的终止节点判断自身到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则说明该段部署路径不需要再部署修复节点(RN)。若不是，则说明该段部署路径需要再部署RN去保障数据传输可靠性。

其中根据步骤201和202可知，当BS作为初始节点时，与该初始节点相连终止节点为1级分支节点。

其中任意RN或SN v

步骤204：对于某个路段的终止节点到达其初始节点是传输不可靠的情况，在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上放置一个水下修复节点RN，判断该RN到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则该RN部署在该位置上；若不是，则该RN向着初始节点方向移动距离Δd。然后再次判断判断该RN到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则该RN部署在该位置上；若不是，则该RN再次向着初始节点方向移动距离Δd。重复上述过程直至该RN移动到能够使其到达源节点是传输可靠的位置。然后该RN转化为初始节点，原先初始节点不再作为初始节点。然后判断该RN到达到其终止节点是否传输可靠，若可靠，则该路段完成修复节点部署；若不可靠，则继续在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上放置一个RN，重复上面移动环节完成该RN的部署；停止在该路径上添加RN的条件是存在一个RN达到其终止节点是传输可靠的为止。

其中r为水下修复节点的通信半径。

其中Δd的表达式如下：

Δd＝mr. (1)

式中m是移动距离调节系数，通常设定其为等于或小于0.05的一个正实常数。

步骤205：重复步骤3直至所有路径上的终止节点到达其初始节点是传输可靠的。

通过上述步骤，每个水下传感器都可以可靠的将数据发送给所在子网络的CN节点，每个子网络的CN节点都能通过修复节点或直接向BS发送水下数据。

为更加清楚描述实施方式，假设在一个三维水下无线传感器网络中有1个水面汇聚节点被固定在水面上(简称为BS)。N个水下传感器节点(SN)分布在水下环境中的固定区域(由锚链固定)，形成了M个互不连通的子网络(USN)，其中M

1.修复路径建立阶段

S11：选定每个水下子网络(USN)的簇首节点(CN)，并设定所有CN为连接状态为激活状态即g＝1。然后，判断每个水下传感器节点(SN)到水面汇聚节点(BS)在时间段t内是否是传输可靠的，如果是传输可靠的，则该SN代替原先该USN的CN成为新的CN，并将连接状态改为休眠状态即g＝0。

其中每个SN都被一个连接在水底的锚链固定，但水流会造成水下传感器节点发生位置偏移，节点偏移模型如图1所示。

其中水下子网络(USN)被定义为任意一个USN内的水下传感器节点能够通过多跳方式相互通信，且分别属于不同USN的两个水下传感器节点不能通过多跳方式相互通信。

其中任意一个USN的簇首节点(CN)是指为了修复网络拓扑连通性而选择出来代表该USN的水下传感器节点，CN可以是该USN的一个或多个水下传感器节点，例如可以设定每个USN中剩余能量最多的水下传感器节点为CN。

其中任意SNv

式中W

式中A

情况分析，在无水流场景中，v

也就是说，当v

S12：将BS设定为目标点G。然后将所有g＝1的CN存入目标点G执行集合中，并对目标点G执行集合的CN按照各自到达点G的欧式距离从大到小进行排序。

其中：每个目标点G的执行集合初始化为空集。

S13：选择该执行集合中排名最前面的且g＝1的CN作为当前执行节点(EN)。将执行集合中其它g＝1的CN存入该EN的候选随从集合中，对该EN的候选随从集合的CN按照各自到达该EN的欧式距离从小到大进行排序。

其中：每个EN的候选随从集合初始化为空集。

S14：对于当前执行节点EN和它的候选随从集合，首先将当前执行节点EN作为第一个元素存入它的随从集合中。然后选择候选随从集合中排名最前面的CN作为候选节点CA。计算EN随从集合中所有元素与目标点G组成的数据集的1-中位点，然后计算该数据集所有元素到该1-中位点的距离和，并记为d

其中：每个EN的随从集合初始化为空集。

其中：对于一个点的集合来说，1-中位点P是指所有点到达点P的距离之和最小。具体来说，对于一个包含H个节点的数据集来说，假设点分别为{n

S15：重复步骤3-4直至执行集合变为空集。

其中：通过步骤5我们将获得多个随从集合。

S16：计算每个簇首节点个数大于1的随从集合中所有CN与目标点G组成的数据集的1-中位点P。将目标点G和每个随从集合的点P连接，构建修复路径。然后分别判断每个随从集合中每个CN到达点对应点P在时间段t内是否传输可靠，若是传输可靠的，则将该CN从对应的随从集合中删除，并将该CN的连接状态改为休眠状态即g＝0。将休眠的CN和对应的随从集合的点P连接，构建修复路径。计算当前随从集合的CN个数，若为1，则将该随从集合中的CN的连接状态改为休眠状态即g＝0。将休眠的CN和对应的随从集合的点P连接，构建修复路径。

其中：在判断每个随从集合中每个CN到达点对应点P在时间段t内是否传输可靠的过程中，点P看成一个位置不变的水下传感器节点。即只考虑CN受水流所发生的偏移。因此可以判断过程可以看成是判断一个SN到BS是否是传输可靠。

步骤S17：对于任意一个随从集合，将其对应的P点作为新的目标点G，然后将这个随从集合变为执行集合。执行上述步骤S12-S16，直至该随从集合对应的执行集合变为空集。

步骤S18：重复步骤S17，直至所有随从集合对应的执行集合变为空集。

步骤S19：重复上述步骤S17-S18，直至所有CN的连接状态为休眠状态即g＝0。将上述步骤中生成的所有目标点G存入一个名为分支点集合的空集合中。

通过上述步骤，我们可以使每个子网络的CN直接或通过分支点集合中的元素与水面汇聚节点BS相连。接下来我们需要在修复路径上部署修复节点，使每个子网络的CN发送的数据包可靠的传输到BS。

2.修复节点布置阶段

S21：在分支点集合中所有元素的位置坐标上部署一个水下修复节点(RN)，并将这些RN称为分支节点KN。水面汇聚节点BS定义为0级分支节点KN_0。与KN_0相连的分支节点KN定义为1级分支节点KN_1。除KN_0外，与1级分支节点KN_1相连的分支节点称为2级分支节点KN_2。依次类推，每个分支节点能够获得自身的级数。然后，我们设定与某一级分支节点相连的SN为该级叶子节点。例如与某个2级分支节点KN_2相连的SN为2级叶子节点LN_2。

S22：将每一级的分支节点作为初始节点，其下一级分支节点或同级叶子节点为终止节点。即所有修复路径的路段可以看成由一个初始节点和一个终止节点连接而成。然后，每个与初始节点相连的终止节点判断自身到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则说明该段部署路径不需要再部署RN。若不是，则说明该段部署路径需要再部署RN去保障数据传输可靠性。

其中：根据步骤S21和S22可知，当BS作为初始节点时，与该初始节点相连终止节点为1级分支节点。

其中：任意RN或CN v

为了在动态水流场景中保障数据传输的可靠性，下面分别对发送节点为RN和CN的情况进行分析。首先假如发送节点v

也就是说，当v

然后假设送节点v

也就是说，当v

S23：对于某个路段的终止节点到达其初始节点是传输不可靠的情况，在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上放置一个水下修复节点RN，判断该RN到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则该RN部署在该位置上；若不是，则该RN向着初始节点方向移动距离Δd。然后再次判断判断该RN到达初始节点是否是传输可靠的，若是，则该RN部署在该位置上；若不是，则该RN再次向着初始节点方向移动距离Δd。重复上述过程直至该RN移动到能够使其到达源节点是传输可靠的位置。然后该RN转化为初始节点，原先初始节点不再作为初始节点。然后判断该RN到达到其终止节点是否传输可靠，若可靠，则该路段完成修复节点部署；若不可靠，则继续在该路段上沿终止节点方向距离初始节点为r的位置上放置一个RN，重复上面移动环节完成该RN的部署；停止在该路径上添加RN的条件是存在一个RN达到其终止节点是传输可靠的为止。

其中：r为水下修复节点的通信半径。

其中：Δd的表达式如下：

Δd＝mr

式中m是移动距离调节系数，通常设定其为等于或小于0.05的一个正实常数。

S24：重复步骤S23直至所有路径上的终止节点到达其初始节点是传输可靠的。

通过上述步骤，每个水下传感器都可以可靠的将数据发送给所在子网络的CN节点，每个子网络的CN节点都能通过修复节点或直接向BS发送水下数据。

本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。