一種應用于三維水聲傳感器網(wǎng)絡基于分層的分簇路由協(xié)議方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及傳感器網(wǎng)絡層的路由協(xié)議，尤其設及一種應用于S維水聲傳感器網(wǎng)絡 的基于分層的分簇路由協(xié)議方法，屬于水聲信號處理技術領域。
【背景技術】
[0002] 在水聲通信網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點一般是由能量有限的電池提供能量補給，由于通 過充電或更換電池為節(jié)點補充能量是不現(xiàn)實的，所W設計水聲通信網(wǎng)絡的路由協(xié)議之時須 將節(jié)約網(wǎng)絡能量消耗作為首先考慮的因素。分簇路由協(xié)議能夠對多個節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行 數(shù)據(jù)融合，減少了網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而減少了能量消耗。因此，分簇路由協(xié)議在水聲 通信網(wǎng)絡中備受關注。
[0003] LEACH協(xié)議是第一個基于簇結構的層次式路由協(xié)議，其后的大部分分簇路由協(xié)議 都是在其基礎上發(fā)展起來的。由于水聲通信網(wǎng)絡與陸地傳感器網(wǎng)絡有一定的相似性，有不 少研究者將LEACH協(xié)議經(jīng)過改進后運用到了水聲通信網(wǎng)絡中。
[0004] 在LEACH協(xié)議的簇建立過程中，沒有考慮簇頭的位置分布，由該協(xié)議選出的簇頭 會導致形成的簇結構大小不均勻。在簇頭分散的區(qū)域，部分簇的簇內成員節(jié)點數(shù)目過多，簇 頭在收集信息和處理信息等方面會耗費較大的能量；同時，部分成員節(jié)點距離簇頭較遠，該 些成員節(jié)點在傳輸信息時會消耗更多的能量。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術之缺陷，提出一種應用于S維水聲傳感器網(wǎng)絡基 于分層的分簇路由協(xié)議方法，采用如下技術方法：
[0006] -種應用于=維水聲傳感器網(wǎng)絡基于分層的分簇路由協(xié)議方法，其特征在于：假 設每個節(jié)點能夠獲知自己的地理位置，并且信道是雙向對稱的，在已知監(jiān)測范圍和節(jié)點最 大傳輸距離的情況下，建立水下分簇網(wǎng)絡的能耗模型，根據(jù)能量消耗與分層數(shù)和簇頭個數(shù) 的關系，通過迭代算法確定保證網(wǎng)絡連通的最佳分層數(shù)和給定分層數(shù)下的最佳簇頭個數(shù)， 根據(jù)確定的簇頭數(shù)和層數(shù)將節(jié)點劃分至若干長方體中，在不同的周期相應的長方體中的節(jié) 點根據(jù)自己的位置和剩余能量參選簇頭，在簇頭選舉階段限制了參與競選簇頭的節(jié)點的位 置，參與選舉的節(jié)點根據(jù)競爭因子決定是否成為簇頭，簇頭節(jié)點根據(jù)到各個簇頭的距離選 擇加入相應的簇結構，在簇間路由形成階段，簇頭建立骨干路由，每個簇頭選擇比自己高一 個層且距離自己最近的簇頭節(jié)點作為下一跳節(jié)點，在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段，成員節(jié)點將收 集到的信息傳遞給相應簇頭，簇頭將收集到的信息進行壓縮后發(fā)送給下一跳節(jié)點或基站， 經(jīng)過設定的一段時間后，網(wǎng)絡監(jiān)測進入下一個周期。
[0007] 2、根據(jù)權利要求1所述的應用于=維水聲傳感器網(wǎng)絡基于分層的分簇路由協(xié)議 方法，其特征在于，包括W下步驟：
[000引1)簇頭數(shù)和分層數(shù)的確定
[0009] a)建立水下分簇網(wǎng)絡的能耗模型
[0010] 有N個節(jié)點均勻分布在SXSXH區(qū)域中，共有K個簇頭，平均每個簇有N/K個節(jié) 點，其中有N/K-1個成員節(jié)點，1個簇頭，節(jié)點發(fā)送一帖數(shù)據(jù)消耗的能量EtMdi與簇頭數(shù)K之 間的關系為：
【主權項】
1. 一種應用于三維水聲傳感器網(wǎng)絡基于分層的分簇路由協(xié)議方法，其特征在于：假設 每個節(jié)點能夠獲知自己的地理位置，并且信道是雙向對稱的，在已知監(jiān)測范圍和節(jié)點最大 傳輸距離的情況下，建立水下分簇網(wǎng)絡的能耗模型，根據(jù)能量消耗與分層數(shù)和簇頭個數(shù)的 關系，通過迭代算法確定保證網(wǎng)絡連通的最佳分層數(shù)和給定分層數(shù)下的最佳簇頭個數(shù)，根 據(jù)確定的簇頭數(shù)和層數(shù)將節(jié)點劃分至若干長方體中，在不同的周期相應的長方體中的節(jié)點 根據(jù)自己的位置和剩余能量參選簇頭，在簇頭選舉階段限制了參與競選簇頭的節(jié)點的位 置，參與選舉的節(jié)點根據(jù)競爭因子決定是否成為簇頭，簇頭節(jié)點根據(jù)到各個簇頭的距離選 擇加入相應的簇結構，在簇間路由形成階段，簇頭建立骨干路由，每個簇頭選擇比自己高一 個層且距離自己最近的簇頭節(jié)點作為下一跳節(jié)點，在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段，成員節(jié)點將收 集到的信息傳遞給相應簇頭，簇頭將收集到的信息進行壓縮后發(fā)送給下一跳節(jié)點或基站， 經(jīng)過設定的一段時間后，網(wǎng)絡監(jiān)測進入下一個周期。
2. 根據(jù)權利要求1所述的應用于三維水聲傳感器網(wǎng)絡基于分層的分簇路由協(xié)議方法， 其特征在于，包括以下步驟： 1)簇頭數(shù)和分層數(shù)的確定 a)建立水下分簇網(wǎng)絡的能耗模型 有N個節(jié)點均勻分布在SXSXH區(qū)域中，共有K個簇頭，平均每個簇有N/K個節(jié)點，其 中有N/K-1個成員節(jié)點，1個簇頭，節(jié)點發(fā)送一幀數(shù)據(jù)消耗的能量Etotal與簇頭數(shù)K之間的關 系為：
上式中，L(bit)為每個成員節(jié)點向簇頭傳遞的信息比特數(shù)，β為每個簇內所有成員節(jié) 點發(fā)送到簇頭的信息經(jīng)過融合后的信息長度與L的比值，E^(J)是電路處理1比特的信息 所消耗的能量，Eda(J)是壓縮1比特信息所消耗的能量，I t(UPa)表示距離聲源Im處的聲 音強度： It= IOsl7ioXI μ Pa (2) SL表示聲源級，水聲工程中通常用聲源級表示聲源強度，單位為dB，SL根據(jù)被動聲納 公式，即式（3)得到： SL = SNR+TL+NL-DI (3) 式（3)中的TL是傳輸損耗，在淺海中，TL的計算公式為： TL = IOlogd+a dX ICT3 (4) 在深海中，TL的計算公式為： TL = 201ogd+a dXl(T3 (5) 其中，d表示聲源到接收機之間的距離，單位為yard(lyard ~ 0. 914m)，a表示吸收系 數(shù)，單位為dB/km，吸收系數(shù)數(shù)值大小跟頻率有關，當頻率在幾百赫茲以上時，吸收系數(shù)的計 算式為： .1 /·， λ r\ /·°
式中，f表示通信頻率，單位為KHz ; 式（3)中NL是噪聲級（主要包括來自接收器和環(huán)境的噪聲），SNR是信噪比，DI是接 收器指向性指數(shù)，與水下聽音器和水聲調制解調器有關，NL、SNR、DI的單位均為dB ; 式（1)中第一項是網(wǎng)絡中所有節(jié)點接收信息所消耗的能量，第二項是網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點 進行數(shù)據(jù)壓縮所消耗的能量，第三項是全部簇頭進行數(shù)據(jù)發(fā)送或轉發(fā)所消耗的能量，第四 項是網(wǎng)絡中非簇頭節(jié)點向對應的簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量，其推導過程如下： 簇頭的能量消耗包括收集成員節(jié)點傳遞來的信息所消耗的能量，進行數(shù)據(jù)處理所消耗 的能量以及將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至下一跳所消耗的能量，在一幀中，第i層中一個簇頭所 消耗的能量為： Ecm = LEihi (N / Κ + β(α： -1)) + LElli(NIK) (?) + ΑπΙ,Cil^nexXLaiP IVtx) CUit為簇頭到下一跳之間的平均距離，單位為m，根據(jù)簇頭選擇規(guī)則，簇頭在 一個長寬均為A'2從/(2&)，高為Η/M的長方體中，兩個簇頭間距離(Ia^ next最遠