考虑水流影响的水下传感器网络移动算法研究

第２７卷第１０期　２０１０年１０月　计算机应用研究　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．１０　

０ｅｔ．２０１０　

考虑水流影响的水下传感器网络移动算法研究术　曾斌，钟德欢，姚路　（海军工程大学管理工程系，武汉４３００３０）　

摘要：随着世界各国海洋开发和海洋军事的飞速发展，水下传感器网络成为一个新的研究热点，其中失效补　偿和高效节能是水下传感器网络研究的重要问题。水声通信的特点使得移动节点在水下传感器网络中得到较　为广泛的使用，以其作为失效补偿和提高覆盖效率的有效手段。为了减小移动节点的能耗，改进了现有的移动　部署方案，提出一种新的水下传感节点移动算法，在移动路径规划时充分利用水流和重力、浮力的影响来减少节　点的移动能量。数值计算和仿真结果表明，本算法有效节省了移动节点的能量消耗，验证了其有效性和正确性。　关键词：水下移动传感器网络；移动算法；能量优化；失效补偿　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１．３６９５（２０１０）１０—３９２６—０３　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１．３６９５．２０１０．１０．０８７　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｍｏｂｉｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ　

ＺＥＮＧ　Ｂｉｎ，ＺＨＯＮＧ　Ｄｅ—ｈｕａｎ，ＹＡＯ　Ｌｕ　（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　４３００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｃｅａｎ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅａ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｌｌ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ（ＵＷＳＮ）ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｖｅｒｙ　ｒｅｃｅｎｔ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｏｐｉｃ．Ｓｉｎｃｅ　ｖｅｒｙ　ｆｅｗ　ｙｅａｒｓ，ｉｔ　ａｔｔｒａｃｔｓ　ａ　ｇｒｏｗｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ＵＷＳＮ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒｅａ　ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｂｏｕｔ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｒｅｃｏｖｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ａｒｅａｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ．ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｎｏｄｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ＡＵＶｓ　ｃａｎ　ｒｅｃｏｖｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ａｒｅａｓ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ＣＯＶ—　ｅｒｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ　ｎｏｄｅｓ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｍｏｂｉｌｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｈａｔ　ｍａｄｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐａｔｈ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｉｓ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｕｎ—　ｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ　ｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｍｏｂｉｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｍｏｂｉｌｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

水下传感器网络具有重要的研究前景，但由于其工作环境　非常复杂，如海水的高腐蚀性、波浪的冲击产生的节点移位漂　流、海洋环境导致节点不易更换和维修困难，以及传感器节点　的能量限制等，使得网络节点的失效和覆盖漏洞成为制约水下　传感器网络广泛应用的关键问题。由于利用移动节点是有效　解决这个问题的方法之一，水下移动传感器网络成为各国学者　研究的重要领域。　文献［１］提出了水下移动传感器网络的架构，详细分析了　ＵＷＳＮ与常规水下传感器网络的区别，其不足在于对节点的移　动特性及移动网络的动态组网方法阐述较少。中国科学院自　动化研究所对水下传感器网络进行了系统的研究　，３　Ｊ，但他们　的工作主要集中在密集型水下传感器网络的设计和部署，提出　了三维空间的传感器采集节点的优化部署方案，不适用于在广　阔海域下进行监测的稀疏传感器网络。文献［４］从理论上描　述了在保证消息传送成功率的情况下，能量消耗、通信延迟、移　动速度（ｅｎｅｒｇｙ、ｌａｔｅｎｃｙ、ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ＥＬＶ）三者之间的关系，为水　下传感器网络设计中权衡各参数的选择提供了理论依据。文　献［５］提出了一种适用于水下传感器网络的路由协议（ＰＢＦ），　ＰＢＦ算法是根据邻居节点的位置和目的节点的位置来选择下　一跳节点，这样选中的节点适宜转发信息，并且数量有限，这个　算法只根据节点的位置信息，就可以确定下一跳节点，因此　ＰＢＦ是一个可扩展的能量有效的路由协议，但该协议只适合于　网络节点移动速率不是很大时的情况。文献［６，７］中，移动节　点主要负责数据收集，也可用于放置与回收固定节点等任务，　同时还可完成固定节点的功能，使得移动节点与固定节点之间　可以实现稳定的短距离通信。　总之，据笔者了解的文献资料都没有充分考虑水下传感器　网络工作环境的特殊性，包括海水中的洋流以及海水的不规则　运动等。为此，本文针对传感器网络工作环境的特殊性，改进　了移动传感器部署模型，并结合海水环境的特点，提出了一种　利用海水流动的移动节点部署算法，从而达到优化网络的　目的。　

１　问题描述　本文的目标是使得部署的水下传感器网络在满足应用要　求的同时满足能量最优，应满足的条件为：　ａ）网络簇由移动节点和固定节点组成，固定节点数目为　ｎ　，移动节点数目为ｎ：；　ｂ）节点失效时，移动节点具有移动到失效节点的能力；　Ｃ）失效节点由ｓｉｎｋ节点通过数据融合进行识别，然后通　

收稿日期：２０１０．０４．１８；修回日期：２０１０－０６－１０　基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（ＺＲＹ１０８６）　作者简介：曾斌（１９７０一），男，江西南丰人，副教授，博士，主要研究方向为传感器网络、卫星网络等（ｔｍｅｉｃｅ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃａ）；钟德欢（１９８５－）　男．硕士研究生，主要研究方向为信息管理、水下传感器网络部署；姚路（１９８０－），男，讲师，硕士，主要研究方向为信息管理．　第１０期　曾　斌，等：考虑水流影响的水下传感器网络移动算法研究　・３９２７・　知移动节点，从而减少网络通信量。　基本假设：　ａ）节点具备自定位功能（如陀螺仪进行自定位）；　ｂ）水中存在较规则的水流（可通过海洋考察船获得数　据）；　ｃ）移动节点能够准确感知节点所在位置的水流信息（如　利用水速仪测量水流流向、水流速度等信息）。　问题描述：　ａ）节点失效补偿，即对失效节点的再部署。考虑到网络　部署的环境，人工补偿是不适合的，目前主要采取的是利用移　动节点（或ＡＵＶ）进行自补偿，这就要解决移动节点的初始部　署问题。　ｂ）节点移动路径问题，即节点以怎样的方式移动，使得消　耗的能量最少。　

２模型建立　节点共分为正常工作节点、移动节点和辅助节点三类。　２．１节点部署模型　三维空间覆盖，最优部署方式为体心部署Ｅｓ，９　３，体心部署　方案如图１所示。　网络部署如图２所示，节点采取在垂直方向以锚固定的　方式部署，为了减少成本，可以在一个锚上安装多个节点，最　后形成体心立方格结构，移动节点部署在体心位置，对移动　节点的部署应考虑移动节点移动后的覆盖补偿问题，即节点　移走后邻居节点应迅速覆盖移动节点的原覆盖区域，同时考　虑到能量消耗均衡的问题。本文采取如图３、４所示的部署方　案，使移动节点所在立方格边长为正常工作节点立方格边长　的１／ｎ。　

盟堕一…　传感器节点，　・・啼・　・Ｉ・　・・’・．．　

ｔ　一－一●’．●　海底　・　’・・・　寨誊　。。一　

图１体心部署图　图２水下传感器网络部署　

推论１　Ｒ　＝　Ｒ；Ｒ　＝　×鲁　其中：移动节点个数为ｎ　；Ｒ为正常工作节点半径；Ｒ，为辅助　节点半径（即移动节点移动前的工作半径）；Ｒ：为辅助节点在　移动节点移动后的工作半径。　证明首先计算传感器感知半径和单元体边长的关系，如　图５所示，多面体ＡＥＦＣＧ为正八面体的一半，由于截后各边长　相等，设基单元体边长为。，传感器感知半径为Ｒ，即ＯＢ＝Ｒ，　ＡＢ＝ＢＩ＝ＩＣ＝。，则有　ＯＤ＝３ａ￣７Ｙ／６，ＯＡ＝　（３Ⅱ）　一（３ａ￣￣Ｙ／２）　ＯＪ＝ＤＢ＝２／３×ＯＡ＝　×０．ＯＢ＝　×ａ／２　得ｎ＝　ｚ，／Ｔ￣×Ｒ，可以推出立方体边长为ｄ＝４　×Ｒ，正常工　作节点与移动辅助节点半径比为Ｒ：Ｒ　＝ｎ：１，即Ｒ　＝Ｒ／ｎ，且移　动节点个数为ｎ　；辅助节点在移动节点移动后节点工作半径　等于辅助节点立方体的体对角线的一半，则可以得出　凡：　旦　√５　ｎ　２．２节点移动能量消耗模型　水平移动时节点的能量消耗为　Ｅ一＝ｄ＿．×Ｅ其中：ｄｒ为水平移动距离；Ｅ　为水平移动单位距离能量消耗　量，其数值与移动节点移动速度、介质密度等相关，且与阻力成　正比，阻力包括粘性阻力和惯性阻力，其计算公式按文献［１０］　给出的公式计算。　Ｒ０＝１／２×ｃｃ×Ｐ×Ｓ・　ｉａＩＩ￡，Ｒ。＝ｍ　‘。　其中：ｃｃ为阻力系数；ｐ为流体密度；Ｓ为最大横截面积；ｍ　＝　１／２×Ｃ　ｐ×ｌ３为运动方向上的附加质量；Ｃ　为附加质量系　数。则　Ｅ　＝（Ｒ０＋Ｒ　）×１　由于节点在垂直方向的移动可以利用重力和浮力两个有　利因素，从而使得节点在垂直方向的移动消耗能量与水平移动　不同，垂直移动消耗能量的计算主要根据节点及网络特性来计　算，参考文献［１１］中提出的压载释放水系统。压载或释放　体　积的水需要消耗的能量为Ｅ　：Ｖ×卸，却为舱内外的压强　差。△ｐ、　为与节点运动速度、网络延迟容忍度Ａ相关的量，对　延迟要求较低的网络可以使用较低的卸和　，而要求小延迟　的网络则要使用较大的却、　，其移动消耗能量为网络延迟容　忍度Ａ的函数：　Ｅ　０＝　（Ａ）　节点利用水流消耗的能量主要与以下几个因素有关：水流　的推力将移动节点加速到速度　，水流的方向　，舵的性能，则　移动节点利用水流消耗能量为固定耗能ｃ减去因水流而获得　的能量　×　（　，　）：　Ｅｏ＝Ｃ—ｒｒ×　（　，　）　其中：ｒｒ为与舵性能及转向角相关的系数。　若节点获得的动能过大，在节点到达目标位置时，节点需　要制动消耗一定的能量，所以节点消耗总能量为　Ｅ＝ＩＥ　ｏ＋Ｅ　＋Ｅｏ　Ｉ＝　Ｊｆｏ（Ａ）＋ｄ４　ｘＥ　＋ｃ—ｒｒ×　（　，１　）ｌ　２．３移动节点移动算法　在部署的水下传感器网络中，节点共有三种移动状态：利　用水流的随水流运动、重力方向的垂直移动和水平面方向的移　动。移动节点在获得水流信息后按如下算法进行移动（算　法１）：　ａ）移动节点获取水流信息和目标位置信息；　ｂ）如无水流或水流方向与目标方向夹角大于等于９０。，转　步骤ｆ）；　，　ｃ）若节点所处位置有水流，且水流方向与目标方向夹角　小于９０。；