固定节点3D网格部署的水下传感器网络分簇路由算法

发布时间：2019-09-13 00:03

【摘要】：水下传感器网络是应用于水下通信的重要传感器网络技术。提出了基于固定节点3D网格部署的水下无线传感器网络分簇算法,设计了3D网格的编址和分簇方法,实现了基于地址分配的节点定位,构建了算法的能耗分析模型。采用MATLAB完成了算法的性能仿真,对比了DS-VBF、IAR和GEDAR 3个算法的平均数据传输延迟和网络生存时间(TTL)。实验结果表明,此算法的平均数据传输延迟较短,可明显提高UWSNS的生存时间。
【图文】：

节点,固定节点,3D结构,3D网格

诠潭ń诘?D网格部署的UWSNs分簇算法UWSNs分为二维结构、固定节点的3D结构和带自动水下航行器（AUVs）的3D结构3种。二维结构的UWSNs由固定或者随机部署在对应海床上的传感器节点构成［1］。固定节点的3DUWSNs由固定部署在海平面下不同深度的传感器节点构成。这些传感器节点既可以采用锚，也可以采用浮标来实现部署。带AUVs的3D结构由部署在不同深度的AUV构成。本文基于固定节点3D结构部署了水下无线传感器网络，提出了一种分簇算法。1.1网络部署与网格编号将固定节点的UWSNs网络采用3D模式部署在海洋中，如图1所示。在该部署模式下，将UWSN划分成n层，每层的传感器节点构成一个簇，簇头选举算法基于节点在簇中的位置来选择头结点。水平的声纳链路用来实现簇之间的通信。簇头收集并聚合簇内其他节点的数据，并采用垂直声纳链路将数据发送到上层簇头节点。图1节点固定的3D部署王建平，等：固定节点3D网格部署的水下传感器网络分簇路由算法·85·0827

头节点,节点,3D网格,数据聚合

（总第42-）火力与指挥控制2017年第5期将整个网络划分成3D网格，网格的编号如图2所示。将最优的水平传输距离控制在50m之内，垂直传输距离在500m之内。每个网格设置为30×40×500m3，每个3D网格构成一个簇。图2分层3D网络的UWSNs结构1.2分簇过程本文提出的分簇算法中，数据传输由配置、数据聚合、数据传输3个步骤构成。其中配置阶段，用来实现簇头节点的选择过程；数据聚合阶段，所有的节点实现将数据向簇头节点的传输，簇头节点进行接收的数据聚合；数据传输阶段，簇头节点将聚合后的数据通过中继传输到基站。在配置阶段，将簇中内存和电量最大的节点选举为簇头节点HN，多个HN节点实现了网络的可靠性和负载均衡。这些HN节点可以和簇内的其他多个数据节点（DN节点）进行通信，并以此实现节能。如图3所示，是一个分簇后的基本3D网格结构。图33D网格的构成如图3所示，一个3D网格具有多个HN节点，簇头节点从这些HN节点中循环选择。尽管在一个簇内可以有多个节点被选举为簇头，但是在一个时刻仅有一个簇头节点被选举出来，，其他HN节点均处于休眠模式。选举主要参照这些参与竞争的HN节点的剩余内存和电量。簇围绕着簇头节点形成，每个HN节点处于激活状态，它发送一个簇头广播HNAdv（Cluster-HeadAdvertisement，HNAdv）报文，HNAdv报文包括HN节点的ID和一个整型计数值HNCount。该值表示该节点充当簇头的次数。每个DN节点将和隶属其网格的簇头节点进行通信。如果有多个HN节点竞争簇头，系统则会选择HNCount值最小的节点来充当。如果多个HN节点具有相同的HNCount，则具有最小ID的HN节点被选举为簇头节点。DN节点在回复HNAdv报文之前先要等待一个时间间隔TWait_Adv。TWait_Adv保证了
【作者单位】：河南科技学院信息工程学院;武汉理工大学信息工程学院;
【基金】：国家自然科学基金(31371525) 河南省教育厅科学技术研究重点基金(14A520067);河南省教育厅人文社会科学研究基金(2014-gh-245) 河南省新乡市科技发展计划基金资助项目(14GY23)
【分类号】：TN929.3;TP212.9

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