水下传感器动态拓扑控制方法与流程

本申请涉及水下传感器网络，具体涉及一种水下传感器动态拓扑控制方法。

背景技术：

1、水下传感器网络（underwater sensor networks，uwsns）广泛应用于海洋资源勘探、海洋灾害预警、海洋环境数据采集等场景。受水下环境固有条件制约，水声信道存在传输时延长、可用带宽有限、多径效应显著、节点受洋流驱动持续漂移等特点，使得水下传感器网络的拓扑控制面临巨大挑战，高效可靠的动态拓扑控制技术成为本领域研究热点。

2、节点部署与拓扑优化是水下传感器网络拓扑控制的两大核心环节。覆盖率与连通率是衡量网络部署性能的核心指标：覆盖率表征传感器网络对水下监测区域的感知覆盖能力；连通率表征网络节点与水面汇聚节点之间可实现通信连通的能力。二者存在固有的制衡关系：若追求较高连通率，节点之间通信距离需要缩短，会造成感知覆盖重叠增加，进而降低网络整体覆盖率。

3、现有水下拓扑控制方案主要分为两类：第一类为节点主动调节位置的部署方案，该类方案通过节点搭载微型推进器，依靠自身动力移动至目标部署位置，虽然能够实现一定的覆盖与连通性能，但是节点主动移动会产生巨大的能量开销；水下传感器节点电池更换困难，大量能量消耗会显著缩短网络生命周期。第二类为静态部署方案，节点部署完成后位置固定，不再进行位置调整。但是海洋中洋流持续作用，传感器节点会发生被动漂移，造成节点之间通信链路断裂，网络连通性下降，易产生覆盖盲区以及拓扑空洞；当部分节点能量耗尽失效后，静态部署方案缺少对应的修复手段，进一步加剧拓扑空洞问题，严重破坏网络稳定性。

4、有鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

1、本申请旨在提供一种水下传感器动态拓扑控制方法，利用模拟退火算法的全局寻优能力计算出各节点在部署工作完成时的期望位置，再利用蜿蜒洋流移动模型预测各节点实际部署位置，避免了节点主动调节自身位置以消耗额外能量的情况，而是充分利用节点随洋流移动的特性，实现网络的全连通率和高覆盖率。

2、本申请实施例提供了一种水下传感器动态拓扑控制方法，包括：

3、构建第一多目标优化函数与约束集合，第一多目标优化函数以所有传感器节点部署完成时刻下的覆盖重叠最小化、覆盖率最大化、连通率最大化作为优化子目标；

4、约束集合至少包括：第一约束，在所有传感器节点部署完成时刻网络全连通；第二约束，各传感器节点期望位置处于水下监测区域空间范围内；

5、采用模拟退火算法，在约束集合的限制下，对第一多目标优化函数进行全局寻优，求解得到在所有传感器节点部署完成时刻，各传感器节点的期望位置；

6、基于各传感器节点的漂移时长，采用蜿蜒洋流移动模型 (meandering currentmobility model，mcm)，根据各传感器节点的期望位置，反推得到各传感器节点的实际部署位置；按照实际部署位置部署各传感器节点。

7、综上，本申请提出一种水下传感器动态拓扑控制方法，利用模拟退火算法的全局寻优能力计算出各节点在部署工作完成时的期望位置，再利用蜿蜒洋流移动模型预测各节点实际部署位置，避免了节点主动调节自身位置以消耗额外能量的情况，而是充分利用节点随洋流移动的特性，实现网络的全连通率和高覆盖率。

1.一种水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，所述各传感器节点的漂移时长通过如下方式确定：

3.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于， 所述采用模拟退火算法，在所述约束集合的限制下，对所述第一多目标优化函数进行全局寻优，求解得到在所有传感器节点部署完成时刻，各传感器节点的期望位置，包括：

6.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，所述蜿蜒洋流移动模型为二维平面漂移模型；

7.根据权利要求1所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，还包括：拓扑优化，所述拓扑优化包括：

8.根据权利要求7所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，所述能量均衡子目标根据巡航时刻各传感器节点的实时位置与剩余能量构建；所述能量均衡子目标驱动求解得到的单点最佳优化位置偏向剩余能量更低的网络区域。

9.根据权利要求8所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，

10.根据权利要求7所述的水下传感器动态拓扑控制方法，其特征在于，所述自主水下航行器收集全网传感器节点的实时位置信息以及剩余能量信息，包括：