本發(fā)明涉及水下聲學(xué)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的講是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種生物友好的網(wǎng)關(guān)部署方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋的開發(fā)，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwateracousticsensornetworks,uasns)越來越多的被應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境保護領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域，比如：海洋數(shù)據(jù)收集、環(huán)境污染檢測、海岸線開發(fā)、災(zāi)害的防治、輔助導(dǎo)航以及軍事偵察等方面。然而，復(fù)雜的水聲通信環(huán)境導(dǎo)致水聲信道具有帶寬有限、高延遲、高誤碼率以及節(jié)點動態(tài)變化的特性。這些特性使得uasns在網(wǎng)關(guān)部署、信道接入、節(jié)點定位以及路由選擇等方面面臨著許多問題。并且對于水聲信道來說，海洋生物、uasns節(jié)點以及其他人工水聲網(wǎng)絡(luò)共享稀缺的水下頻譜資源，又給uasns的拓撲設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。

由于網(wǎng)關(guān)需要收集無線傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息并將其傳送到數(shù)據(jù)中心，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的大部分數(shù)據(jù)都匯聚到網(wǎng)關(guān)，因此網(wǎng)關(guān)的部署位置就成為影響整個網(wǎng)絡(luò)性能的重要影響因素，部署時需要考慮降低網(wǎng)絡(luò)時延和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面。但是由于水下傳感器節(jié)點的環(huán)境感知和節(jié)點間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是依靠水聲進行通信，而各類海洋哺乳動物的回聲定位(clicks)、應(yīng)急突發(fā)(burstpulse)以及通訊信號(whistle)也是以水聲信號為載體。一方面生物的聲信號會造成水下節(jié)點的采集數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)的路徑不可達，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能。另一方面水聲網(wǎng)絡(luò)對海洋哺乳動物的聲學(xué)干擾會導(dǎo)致動物定位錯誤、行為紊亂，嚴重者會使其聽力缺失以致死亡。因此，設(shè)計一個考慮生物—網(wǎng)關(guān)干擾的水聲網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)部署方法對于生物友好的uasns具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為改善網(wǎng)絡(luò)的時延性能和數(shù)據(jù)包投遞率性能，以及解決海洋哺乳動物與水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和諧共存的問題，本發(fā)明提供一種生物友好的網(wǎng)關(guān)部署方法。該方法中，可以確定海洋哺乳動物與網(wǎng)關(guān)的干擾區(qū)域，從而避免兩者的相互影響。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種生物友好的網(wǎng)關(guān)部署方法，包括下列步驟:

步驟一：通過對待測水體區(qū)域海洋哺乳動物的長期觀測，統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)并通過聚集分布ca指數(shù)的計算確定聚集分布類，根據(jù)海洋哺乳動物出現(xiàn)概率的不同對監(jiān)測水域進行劃分，即出現(xiàn)概率分別為pr1,pr2,..,prn且pr1＞pr2＞...＞prn,pr1+pr2+...+prn＝1，預(yù)設(shè)概率閾值prth若pri+1＜prth≤pri,則哺乳動物出現(xiàn)概率對應(yīng)位置即為海洋哺乳動物聚集區(qū)域。

步驟二：對海洋哺乳動物干擾區(qū)域mmir的劃定：將干擾距離dinf定義為當(dāng)某一干擾源與接收端的距離小于干擾距離時，干擾信號將會使接收節(jié)點的通信不能正常進行，導(dǎo)致接收錯誤或接收中斷。建立水下聲通信信道模型，計算海洋哺乳動物的通信半徑r1、干擾半徑r2以及水面網(wǎng)關(guān)的通信半徑r3、干擾半徑r4，因此兩者的干擾距離dinf＝max{r2+r3,r1+r4}；

步驟三：以確定的海洋哺乳動物聚集位置為圓心，以dinf為半徑的圓形區(qū)域即為生物-網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域，在該區(qū)域中的不布放水面網(wǎng)關(guān)。

本發(fā)明提出的生物友好的水聲網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)部署方法，通過統(tǒng)計待測水域海洋生物高概率存在位置進而確定生物—網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域，并通過將網(wǎng)關(guān)部署問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃問題進行分析。能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能，同時實現(xiàn)生物與網(wǎng)關(guān)的和諧共存，提高水傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信效率與質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)流程圖

圖2是本發(fā)明中華白海豚出現(xiàn)概率與水深關(guān)系

圖3是本發(fā)明中華白海豚出現(xiàn)概率與海岸線距離關(guān)系

圖4是本發(fā)明生物—網(wǎng)關(guān)干擾距離的確定

具體實施方式

水聲網(wǎng)絡(luò)中需要考慮海洋哺乳動物的影響，為了避免網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸與海洋哺乳動物活動的相互干擾，需要定義生物—網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域。其中生物—網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域的確定需要分為兩部分：海洋哺乳動物聚集區(qū)域的確定和水聲干擾區(qū)域的確定。本發(fā)明具體的實現(xiàn)步驟是：

步驟一：通過對待測水體區(qū)域海洋哺乳動物的長期觀測，統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)并通過聚集分布ca指數(shù)的計算確定中華白海豚是聚集分布類型即在同一區(qū)域的不同地方其存在概率非均勻分布。故對待測水體區(qū)域進行海洋哺乳動物位置觀測，根據(jù)海洋哺乳動物出現(xiàn)概率的不同對監(jiān)測水域進行劃分，即出現(xiàn)概率分別為pr1,pr2,..,prn且pr1＞pr2＞...＞prn,pr1+pr2+...+prn＝1。若pri+1＜prhtpr≤i,i∈[1,n-1]則哺乳動物出現(xiàn)概率pri,pri-1,...,pr1對應(yīng)位置即為海洋哺乳動物聚集區(qū)域。

步驟二：然后是對mmir的劃定：將干擾距離dinf定義為當(dāng)某一干擾源與接收端的距離小于干擾距離時，干擾信號將會使接收節(jié)點的通信不能正常進行，導(dǎo)致接收錯誤或接收中斷。由于對水下聲通信，信道增益為：

h＝1/a0d^kα(f)^d

其中a0是歸一化常數(shù)，k是傳播系數(shù)(對于水聲通信k通常取1.5)，d是發(fā)送端與接收端之間的距離，α是吸收系數(shù)。則根據(jù)該信道模型，計算海洋哺乳動物的通信半徑r1、干擾半徑r2以及水面網(wǎng)關(guān)的通信半徑r3、干擾半徑r4，因此兩者的干擾距離dinf＝max{r2+r3,r1+r4}

步驟三：然后以確定的海洋哺乳動物聚集位置為圓心，以dinf為半徑的圓形區(qū)域即為生物-網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域，該區(qū)域中的不布放水面網(wǎng)關(guān)。

現(xiàn)在對本發(fā)明的實施提供詳細參考。為解釋本發(fā)明將參考附圖描述下述實施例。

圖1中，本發(fā)明考慮的網(wǎng)關(guān)部署問題是針對已知水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署下的水面網(wǎng)關(guān)優(yōu)化部署。該部署方法在基于已知水下網(wǎng)絡(luò)部署的條件下，考慮水生哺乳動物與網(wǎng)關(guān)的相互干擾。

水聲網(wǎng)絡(luò)中需要考慮海洋哺乳動物的影響，為了避免網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸與海洋哺乳動物活動的相互干擾，需要定義生物—網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域。其中生物—網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域的確定需要分為兩部分：海洋哺乳動物聚集區(qū)域的確定和水聲干擾區(qū)域的確定。

圖2、圖3首先是海洋哺乳動物聚集區(qū)域的確定，通過對待測水體區(qū)域海洋哺乳動物的長期觀測，統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)并通過聚集分布ca指數(shù)(空間分布格局測度指標(biāo))的計算確定中華白海豚是聚集分布類型即在同一區(qū)域的不同地方其存在概率非均勻分布。故對待測水體區(qū)域進行海洋哺乳動物位置觀測，根據(jù)海洋哺乳動物出現(xiàn)概率的不同對監(jiān)測水域進行劃分，即出現(xiàn)概率分別為pr1,pr2,..,prn且pr1＞pr2＞...＞prn,pr1+pr2+...+prn＝1。若pri+1＜prth≤pri,i∈[1,n-1]則哺乳動物出現(xiàn)概率pri,pri-1,...,pr1對應(yīng)位置即為海洋哺乳動物聚集區(qū)域。圖中觀測并統(tǒng)計了中華白海豚出現(xiàn)位置分別與水深以及與海岸線距離的關(guān)系的概率分布情況，若prth＝50％則相應(yīng)的海洋哺乳動物聚集區(qū)域即為水深5-10m區(qū)域和距離海岸線200-400m的區(qū)域。

圖3中，是對mmir(海洋哺乳動物干擾區(qū)域)的劃定：將干擾距離dinf定義為當(dāng)某一干擾源與接收端的距離小于干擾距離時，干擾信號將會使接收節(jié)點的通信不能正常進行，導(dǎo)致接收錯誤或接收中斷。由于對水下聲通信，信道增益為：

h＝1/a0d^kα(f)^d

其中a0是歸一化常數(shù)，k是傳播系數(shù)(對于水聲通信k通常取1.5)，d是發(fā)送端與接收端之間的距離，α是吸收系數(shù)。則根據(jù)該信道模型，計算海洋哺乳動物的通信半徑r1、干擾半徑r2以及水面網(wǎng)關(guān)的通信半徑r3、干擾半徑r4。如圖4所示，為了避免生物對網(wǎng)關(guān)正常通信的干擾，需使生物的虛線部分與水面網(wǎng)關(guān)的實線部分沒有交疊即兩者距離需大于r2+r3；同時還需避免網(wǎng)關(guān)對生物正常通信的干擾，使兩者距離大于r1+r4。因此兩者的干擾距離dinf＝max{r2+r3,r1+r4}。然后以確定的mmgr位置為圓心，以dinf為半徑的圓形區(qū)域即為生物-網(wǎng)關(guān)干擾區(qū)域mmir，該區(qū)域中的不布放水面網(wǎng)關(guān)。

最終通過選擇一組網(wǎng)關(guān)候選位置的子集，在其滿足數(shù)據(jù)流約束、生物—網(wǎng)關(guān)干擾約束以及水面網(wǎng)關(guān)數(shù)量的約束條件下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。