三维水下无线传感器网络中能耗均衡的拓扑控制及优化算法研究

发布时间：2020-05-30 06:50

【摘要】：近年来,随着世界各国对海洋权益日益重视以及对海洋资源的不断开发利用,作为认识和了解海洋的便利工具,水下无线传感器网络逐渐成为信息领域的研究热点。水下无线传感器网络不仅面临着节点能量有限、通信能力有限、计算/存储能力有限等问题;还存在由海水腐蚀造成的节点易失效问题,由水流作用造成的节点随机移动问题,以及水声通信的高延时、高误码率、多径效应等问题。本文以降低和均衡网络能量消耗、延长网络寿命为出发点,利用拓扑控制技术分别研究了小型三维水下无线传感器网络和大型三维水下无线传感器分层网络中的能耗不均问题,在延长网络寿命的同时,根据水下实际环境优化网络的其它性能。文章的具体研究内容如下:(1)针对小型三维水下无线传感器网络能耗不均、通信质量差和节点易失效问题,本文提出了一种基于最优刚性图的拓扑控制算法。首先,考虑到节点能耗不均问题以及水声通信方式高误码率问题,结合节点传输负载特征和节点剩余能量设计了一种均衡负载权值函数和以通信距离为基础设计了一种链路质量权值函数;然后,考虑到水下无线传感器网络中节点易失效问题,结合最优刚性图的特点,将上述两个权值函数相结合作为节点间链路权值,构建3-连通网络拓扑结构,提高了网络鲁棒性;最后,周期性重构网络拓扑,保证网络连通性。同时论文在理论上证明了该拓扑结构能够有效约束网络平均节点度,并且不产生关键节点。最后通过仿真实验,验证了本算法可有效提升网络寿命、链路质量等性能。(2)针对大型三维水下无线传感器分层网络中簇首节点能耗不均问题以及水声通信的高时延问题,本文提出了一种基于等级划分的非均匀分簇算法。考虑到相近水深的簇首节点的簇内成员数量差别较大问题,本文分析节点密度和节点位置对簇首节点能耗的影响,优化选簇过程;考虑到相近水深的簇首节点转发其他簇首节点数据数量差别较大问题,提出一种新型的簇首节点等级划分方法,划分簇首等级,优化节点入簇过程;并在路由选择过程中,建立综合考虑传输能耗和通信时延的簇间路由,在优化均衡网络能耗的同时,降低网络时延。最后通过仿真对比,验证了本算法可有效均衡网络能耗、延长网络寿命,并具有较低的通信时延。
【图文】：

网络结构图,水下传感器,网络结构

传感器节点水声链路射频链路船舶海床海上基站海岸基站图 2-3 三维静态水下传感器网络结构Fig.2-3 3D underwater sensor network structureV 的三维水下传感器网络结构感器网络建立和维护的要求，自主水下航行器AUV被的三维水下传感器网络结构，如图 2-4。自主水下航感器和其他一些先进技术的任务控制器，其可以存储发能量损耗可以忽略不计；同时，理论上 AUV 可以。因此，在水下三维传感器网络中加入 AUV，会极的灵活性。同时，AUV 的制造成本比较高，，目前功无法大量应用于感知覆盖。海岸控制中心卫星
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.3

【参考文献】