水下传感器网络节点运动预测模型及定位机制研究

发布时间：2020-06-20 19:45

【摘要】：随着海洋经济在国民经济中所占比重的不断增加,人类日益重视海洋资源的开发和利用。而传感器网络因灵活性高、自组织能力强的特点,被广泛应用于海洋领域。水下传感器节点定位技术,实现了节点监测信息与位置信息的结合,使监测信息具有实际应用价值,因此,水下节点定位技术成为研究热点之一。海洋环境下,节点不断运动,位置变化频繁;并且部署环境难以实现节点的能量补充或电池更换,给水下传感器网络节点的定位带来巨大挑战。本文重点研究了节能的水下动态节点实时位置信息更新机制,建立了节点的运动预测模型,通过模型系数的传递实现水下传感器节点的定位,减少网络的通信消耗;考虑位置精度要求较高的应用场景,在节点估计位置基础上,设计基于动态搜索空间的粒子群算法,快速高效地提高节点定位精度。主要工作内容如下:(1)在近海环境中,本文以高斯径向基函数作为空间基函数,建立了时间和空间分辨率较高的节点运动模型。为提高模型实时性并降低数据的更新频率,采用K-medoids方法和扩展卡尔曼算法预测模型系数,降低通信能量消耗,为节点定位奠定基础。(2)考虑锚节点与普通节点的差异性,设计了基于运动模型的分层定位算法,分别对锚节点和普通节点实时定位,降低了通信能量能耗。锚节点采用K-medoids方法和扩展卡尔曼算法预测运动模型,并结合历史位置预测定位。通过定位误差及预测窗口的判定,锚节点实时更新模型系数,提高模型精度。以传递的模型信息为基础,普通节点计算运动模型,并结合历史位置实现定位。设计了普通节点的参考节点列表更新方法,及时调整参考信息,提高信息准确度。(3)对于节点位置精度要求较高的应用场景,建立了节点位置优化模型,并提出了基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法。针对水下动态节点,以根据运动模型估计的位置为中心向空间延伸,形成动态的二维搜索区域,提高了搜索效率和定位精度。(4)分别对基于运动模型的定位方法和基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法仿真分析。结果表明基于运动模型的定位方法在定位覆盖度、平均定位误差及平均通信能耗方面均优于SLMP算法和MP-PSO算法。基于动态搜索区域的粒子群优化位置算法明显降低了节点的平均定位误差。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

图 1-1 二维静止水下传感器网络拓扑结构图[3]决二维静止水下网络覆盖面积小、采集信息有限的问题传感器网络。相对于二维静止水下网络中的节点固定在下网络中的节点根据实际应用场景的需求，可以分布在[28]提出将水下传感器节点通过电线与水面浮标节点相以改变节点的水下深度。但是该方法中过多的浮标会影且极易被敌方发现进而攻击和破坏。针对上述问题，提在海底，同时对每个节点配备充气浮标的解决办法。如则对浮标充气，增大体积，进而增加浮力；如果节点向气，减小体积，减少浮力。因此，通过调节充气浮标的器节点的上下移动，增大监控区域面积和采集的海域信器节点的三维静止水下传感器网络如图 1-2[3]所示。通常网络不存在二维水下网络中的汇聚节点，普通节点采集输方式将其发送到水面基站。

天津大学硕士学位论文域，并按照预先设定的路线航行并广播自身信息。当能浮到水面进行充电，之后继续潜入水下。此外，AUV，可以实现连续数月的工作。采用 DNR 节点时，通向的上升或下降；水平方向则是在洋流的影响下发生负责监测、采集目标海域的信息，并借助水下锚节点水下传感器网络的优点是拓扑结构更加灵活，覆盖面富，因此适用于大规模水下传感器网络。但相比于二络，由于节点不断运动，需要重复计算水下节点的位此外，AUV 和 DNR 节点价格昂贵，增加了网络的成

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 周涛;陆惠玲;;数据挖掘中聚类算法研究进展[J];计算机工程与应用;2012年12期

2 李建如;许惠平;;加拿大“海王星”海底观测网[J];地球科学进展;2011年06期

3 吕超;王硕;谭民;;水下移动无线传感器网络研究综述[J];控制与决策;2009年06期

4 王静;陈建峰;张立杰;黄建国;;水下无线传感器网络[J];声学技术;2009年01期

本文编号：2722879