專利名稱：一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下無線網(wǎng)絡(luò)中利用基站移動來延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，它 的使用主要適用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能方面的應(yīng)用，利用了基站的移動可控性來延長 網(wǎng)絡(luò)生存時間。
背景技術(shù)：
因為水下傳感器通常只有有限的能量，而且他們的電池很難被充電，像太陽能 之類充電方式在這里不適用，所以能量問題對于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)極為重要。我們將網(wǎng)絡(luò) 的生存時間(network lifetime)定義為從網(wǎng)絡(luò)部署到第一個傳感器耗盡能量的時刻，之所 以這么定義在于水下部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是比較稀疏的，因為在水下超聲波傳輸通常 可以傳輸很遠(yuǎn)的距離，一個節(jié)點耗盡能量，對整個網(wǎng)絡(luò)的連通影響重大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)半徑增 長時候，在三維環(huán)境中這個問題比在二維環(huán)境中更為嚴(yán)重。盡管以前有工作在二維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中集中研究這個問題，但是很難將二維 環(huán)境下的結(jié)果直接擴展到三維環(huán)境下。節(jié)點負(fù)載定義為節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)給基站的報文的流 量。三維環(huán)境下的節(jié)點負(fù)載不像在二維環(huán)境下只跟節(jié)點到基站的距離有關(guān)。在前人的文 獻(xiàn)中，結(jié)論是當(dāng)基站在最外圍繞著圓心運動時，節(jié)點的負(fù)載的最大值可以達(dá)到其他運動 情況下的最小值，但是在三維環(huán)境下，當(dāng)基站繞著不同圓心運動時候，節(jié)點的負(fù)載的最 大值出現(xiàn)在不同的地方，如果我們用不同圓周運動的組合，網(wǎng)絡(luò)的生存時間會比一個圓 周運動情況下的時間長。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的是提出一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用基站移動來延長 網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，通過基站的移動來分散收集數(shù)據(jù)時帶來的能量消耗熱點區(qū)域，通 過分析基站的不同運動對網(wǎng)絡(luò)生存時間的影響，來盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。技術(shù)方案本發(fā)明的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用基站移動來延長網(wǎng)絡(luò)生存時間 的方法包括以下技術(shù)1、基站不規(guī)則周期運動轉(zhuǎn)換方法；2、基站圓周運動平面下節(jié)點 剔除原則；3、基站次大圓周運動剔除原則；4、基站移動策略(MOSS)。具體為1).基站不規(guī)則周期運動轉(zhuǎn)換方法，通過映射，將三維環(huán)境下不規(guī)則的基站周期 性移動路徑轉(zhuǎn)化成基站繞ζ軸圓周運動的組合，保證在轉(zhuǎn)化之后，網(wǎng)絡(luò)的生存時間不會減 少；2).基站圓周運動平面下節(jié)點剔除原則，在基站繞ζ軸做圓周運動時候，對于在 運動平面下的點，總能在運動平面上找到一個對應(yīng)點，此點的負(fù)載更高；3).基站次大圓周運動剔除原則，當(dāng)基站在同一平面內(nèi)運動時候，半徑越小，網(wǎng) 絡(luò)的生存時間越短；4).基站移動策略MOSS，基站在監(jiān)控區(qū)域最外圍做周期性的圓周運動，從最大圈開始，然后到次大圈，依次往下直到最底部，然后向上同樣做圓周運動，直到最大 圈，完成一個周期。其中步驟1)中，基站的不規(guī)則周期運動可以用繞ζ軸圓周運動的組合來替代，并且 替代之后，網(wǎng)絡(luò)的生存時間不會減少。步驟2)中，基站繞ζ軸做圓周運動時候，對于在基站運動平面以下的節(jié)點，在 運動平面上總能找到一個對應(yīng)點，那一點的負(fù)載更高。步驟3)中，基站在同一平面運動時候，運動半徑越小，網(wǎng)絡(luò)的生存時間越短。步驟4)中，基站移動的具體策略是基站在監(jiān)控區(qū)域最外圍做周期性的圓周運 動，從最大圈開始，然后到次大圈，依次往下直到最底部，然后向上同樣做圓周運動， 直到最大圈，完成一個周期。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點有通過映射，有效地減少了 基站移動策略的解空間，通過分析基站移動對網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載最大的節(jié)點位置分析，利用基 站移動路徑的組合，有效地分散數(shù)據(jù)收集帶來的能量消耗熱點區(qū)域，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò) 生存時間。


圖1是負(fù)載模型圖，圖2是負(fù)載比較圖，圖 3 是 z = 0，R = 具體實施例方式本發(fā)明可分為兩個部分(1)基站移動分析水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通?？梢苑譃閮深惗S水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和三維水下傳感 器網(wǎng)絡(luò)。這里我們集中于三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以部署用來監(jiān)測海洋環(huán)境。水下傳 感器網(wǎng)絡(luò)的特點包括很長的通信距離、慢速的傳輸速率和他們隨著水流運動而產(chǎn)生的運 動。所以傳感器節(jié)點布置得不是很密，同時我們可以利用傳感器節(jié)點的隨水流運動而監(jiān) 控一個區(qū)域的情況。我們假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)由η個傳感器節(jié)點和一個移動基站組成。移動基 站的任務(wù)為收集傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)。整個節(jié)點的集合我們用U表示。我們只關(guān)心 節(jié)點通過單跳或者多跳與基站之間的通信，而基站與網(wǎng)絡(luò)外的設(shè)備之間的通信不在我們 考慮范圍。不失一般性，我們假設(shè)被監(jiān)控的三維空間是一個半球狀的，因為如果我們把 基站放在水面某點，用O來表示這一點，那么其他所有傳感器節(jié)點都在基站的常數(shù)跳數(shù) 之內(nèi)，那么這樣監(jiān)控區(qū)域就形成一個以O(shè)為圓心的一個半球，所有的節(jié)點被部署在一個 常數(shù)跳數(shù)R之內(nèi)，既然無線傳感器節(jié)點需要監(jiān)控一個區(qū)域，它在這個區(qū)域出現(xiàn)的概率是 等同的，我們假設(shè)在監(jiān)控區(qū)域傳感器節(jié)點的部署密度是相同的。節(jié)點η的平均負(fù)載，用Ioadn示，定義為在一段時間內(nèi)節(jié)點η和它傳輸半徑內(nèi)鄰 居們的平均需要發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)的流量，當(dāng)我們使用一個基于最短路徑路由算法時候，下面 就是Ioadn的表達(dá)式
4.5、2時節(jié)點負(fù)載圖，基站移動分析、基站移動策略(MOSS)。,^ (V^V2)pAs Ioadn = 1 廣
V2P
(tan2 fiL3 -r2l)As
2r3
+ AsJ>r,⑴
R3 ,7
~-τλε,I <r.
2r3
這里P是水下傳感器部署的平均密度，λ是從節(jié)點到基站的平均數(shù)據(jù)率，ε是 每一次傳輸所消耗的能量。在圖1中，基站節(jié)點用S表示，水下傳感器節(jié)點用η表示， S與η之間的連線Sn與半圓體表面的交點用N表示，1是Sn的長度，L是Sn的長度，
A = arcSinf 7是η的傳輸半徑，β是圓錐角的一半。這里我們采用的假設(shè)是節(jié)點在不發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)的能量消耗可以忽略不計，同 時在傳輸時刻消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接受能量和感知能量。，當(dāng)我們用基于最短路徑的能 量均衡路由算法時候，如果以下條件滿足的話對于兩個節(jié)點叫、Ii1, 112在3111上的 投影在S和Ii1之間。(ii)從Ii2到Sn1的距離小于w，這里設(shè)置為Ii2的傳輸半徑r。那 么屯將會轉(zhuǎn)發(fā)叫到基站S的數(shù)據(jù)。在三維環(huán)境下，對于一個給定的n2，V1表示滿足上 面條件節(jié)點所在的區(qū)域大小，因為這個流量負(fù)擔(dān)在n2和它的傳輸半徑之內(nèi)的鄰居之間分 享(路由是負(fù)載平衡的假設(shè))，這些鄰居位于112朝向基站S的方向，用％表示這個區(qū)
1 J (Κ+ν2)ρλε
域的大小，則112的負(fù)載是Ioadn = 1 2,μ ，我們用N1表示Sn1與半球表面的交點，
廠2廠
V1就是頂點是S，軸心是Sn2,圓錐角是2β，從屯向遠(yuǎn)離S方向的部分圓錐體積，則
Ioadn ^ (tan2 '/^+λε ；如果Sn2小于r，很顯然V1是整個監(jiān)測區(qū)域，即整個半球的 Ir
大小，V2就是半徑為r的半球，則foa<=4l。
2r3為了解決能量不均衡問題和獲得一個小的Ioadu,我們研究基站的不同移動軌 跡。從直覺上看來，如果基站能夠移動，雖然總體消耗的能量增大，但是能量被分布在 更多的節(jié)點上，使得能量消耗更均衡。接下來的問題是該怎么規(guī)劃基站的移動路徑，盡 管可能會有無窮多的可能，下面這個定理保證任何不規(guī)則的運動可以被轉(zhuǎn)化成圓周運動 的組合，這些圓周運動的一個共同特點就是圓心在半球體的ζ軸上，與ζ O平面平行，重 要的是轉(zhuǎn)化之后，Ioadu不會增加。定理1基站的任何不規(guī)則的移動可以轉(zhuǎn)化成圓周運動的組合，轉(zhuǎn)化之后，Ioadu 不會增加。這里我們只討論周期性的不規(guī)則運動，不是周期性的運動也可以看作是周期 運動，其周期就是網(wǎng)絡(luò)的生存時間。這個轉(zhuǎn)化過程跟二維環(huán)境下是一致的，除了這 個偏移是不規(guī)則運動軌跡圍繞著半球體的ζ軸角度為Δ Y的微小偏移，類似的，當(dāng) Δ Y - O,基站以相同概率出現(xiàn)在由偏移組成的區(qū)域，也就是圓周運動的組合形成的區(qū) 域。將不規(guī)則運動下的最大負(fù)載記為/ 《，將轉(zhuǎn)化后的最大負(fù)載記為/οα《β。考慮任意一
1 Γ2π
個節(jié)點 n，Iocufndy，當(dāng)然had: <had;;，所以had: <had;; ’為
權(quán)利要求
1.一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，其特征是該方法包括以下 步驟1).基站不規(guī)則周期運動轉(zhuǎn)換方法，通過映射，將三維環(huán)境下不規(guī)則的基站周期性 移動路徑轉(zhuǎn)化成基站繞ζ軸圓周運動的組合，保證在轉(zhuǎn)化之后，網(wǎng)絡(luò)的生存時間不會減 少；2).基站圓周運動平面下節(jié)點剔除原則，在基站繞ζ軸做圓周運動時候，對于在運動 平面下的點，總能在運動平面上找到一個對應(yīng)點，此點的負(fù)載更高；3).基站次大圓周運動剔除原則，當(dāng)基站在同一平面內(nèi)運動時候，半徑越小，網(wǎng)絡(luò)的 生存時間越短；4).基站移動策略MOSS，基站在監(jiān)控區(qū)域最外圍做周期性的圓周運動，從最大圈開 始，然后到次大圈，依次往下直到最底部，然后向上同樣做圓周運動，直到最大圈，完 成一個周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，其特征 是步驟1)中，基站的不規(guī)則周期運動可以用繞ζ軸圓周運動的組合來替代，并且替代 之后，網(wǎng)絡(luò)的生存時間不會減少。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，其特征 是步驟2)中，基站繞ζ軸做圓周運動時候，對于在基站運動平面以下的節(jié)點，在運動 平面上總能找到一個對應(yīng)點，那一點的負(fù)載更高。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，其特征 是步驟3)中，基站在同一平面運動時候，運動半徑越小，網(wǎng)絡(luò)的生存時間越短。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法，其特征 是步驟4)中，基站移動的具體策略是基站在監(jiān)控區(qū)域最外圍做周期性的圓周運動， 從最大圈開始，然后到次大圈，依次往下直到最底部，然后向上同樣做圓周運動，直到 最大圈，完成一個周期。
全文摘要
水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的方法包括以下步驟1、基站不規(guī)則周期運動轉(zhuǎn)換方法，通過映射，將三維環(huán)境下不規(guī)則的基站周期性移動路徑轉(zhuǎn)化成基站繞z軸圓周運動的組合，保證在轉(zhuǎn)化之后，網(wǎng)絡(luò)的生存時間不會減少；2、基站圓周運動平面下節(jié)點剔除原則，在基站繞z軸做圓周運動時候，對于在運動平面下的點，總能在運動平面上找到一個對應(yīng)點，此點的負(fù)載更大；3、基站次大圓周運動剔除原則，當(dāng)基站在同一平面內(nèi)運動時候，半徑越小，網(wǎng)絡(luò)的生存時間越短；4、基站移動策略MOSS基站在監(jiān)控區(qū)域最外圍做周期性的圓周運動，從最大圈開始，然后到次大圈，依次往下直到最底部，然后向上同樣做圓周運動，直到最大圈，完成一個周期。
文檔編號H04W84/18GK102014472SQ20101058438
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者吳小兵, 張麗麗, 沈世卿, 董超, 陳貴海 申請人:南京大學(xué)