[发明专利]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

说明书

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；该修复方法包含两个阶段：修复路径建立和修复节点布置；其一：基于路径裁剪的修复路径生成方法，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；其二：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；该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。

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。