[发明专利]一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器网络技术领域，具体地说，本发明涉及一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。

背景技术

传统陆地用无线传感器网络是由部署在检测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的具有一定拓扑结构的自组织系统，它具有自组织性、动态性、以数据为中心、与应用密切相关等特点。无线传感器网络中的节点可以采用各种类型的传感器(如声、光、电、热传感器等)，就接入媒体而言，传统陆地用无线传感器网络大都以大气为接入媒体，并且普遍采用电磁波作为传输数据的载体。就拓扑结构而言，目前无线传感器网络主要有星型网络、点对点网络、自组织网络与分簇网络。上述现有的各种拓扑结构的都难以适应水下应用环境。其原因如下：

1、水声传感器网络节点造价较高，每个节点都要负责尽可能大的检测面积，因此大多采取稀疏布放方式。在稀疏布放方式中，水声传感器网络中每个节点只能与少数的相邻节点通信。而现有技术中的星型网络、点对点网络、自组织网络等拓扑结构都要求网络中任意两个节点均可进行通信，因此它们均不满足稀疏布放方式的要求。

2、由于采取稀疏布放方式，水声传感器网络中的各节点数据之间的相关性很小，几乎没有冗余数据，因此需要保证每个节点都有可靠的数据上传链路。现有的分簇网络中，一定范围内的节点会自发地选举产生一个簇头节点，并由簇头负责本簇的对外通信。然而，当采用稀疏布放方式时，不能保证每个所选举出的簇头节点都有可靠的数据上传链路，因此分簇网络也不满足稀疏布放方式的要求。

3、在陆地无线传感器网络中，信号在空气中以光速传播，收发时延很小，一般可以忽略。而在水下则只能利用声信号进行信息的传输，其网络节点间传输时延较大，因此难以实现精确的定时与全网时间同步。

4、在水下声传感器网络中，由于自然环境因素，传感器节点的位置会受到较大的扰动，因此难以形成稳定的规则网络形状(如正方形、三角形网络等)，这就对水下传感器网络对自组织能力提出了更高的要求。

综上所述，目前的无线传感器网络无法适用于水下应用环境，当前迫切需要一种能够适用于水下应用环境的传感器网络系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于水下应用环境的水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，其中，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离(即有效通信范围)以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+1层节点，其中i＝1，2，3......，即i为正整数，第i层节点是第i+1层节点的上层节点；

所述传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发该节点所接收到的由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；

所述汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信息。

其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带包括第一、第二、第三数据信息频带；若某个节点层次为N，满足N mod 3＝0，则该节点为1类节点(mod为取余数运算)，满足N mod 3＝1，则该节点为2类节点，满足N mod3＝2则该节点为3类节点，1类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信分别采用第一、第二、第三数据信息频带。

其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带还包括控制信息窄带，各节点之间的控制信息(在某些情况下)可以使用控制信息窄带进行传输。

其中，当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将其中一个上层节点确定为父节点，并确定另外的上层节点为伪父节点，该节点优先通过其父节点上传数据。

其中，当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，判断各下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比所述下层节点的父节点高，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点为自己的子节点；当自己的优先级比所述下层节点的父节点低，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点是自己的伪子节点。

其中，每个传感器节点均在本地保存该传感器节点的局部拓扑信息，所述局部拓扑信息包括：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。