水下无线传感器网络节点部署算法研究

发布时间：2017-04-09 11:10

  本文关键词：水下无线传感器网络节点部署算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSN)是由多个具有信息感知、数据存储、数据处理、水声通信等功能的传感器节点组成的水下监测系统。由于海洋资源日益受到各国重视,水下无线传感器网络已逐渐成为一个热门的研究课题。目前,水下无线传感器网络的研究主要针对节点部署、节点定位、时间同步、能效策略、水下安全等方面。其中,节点部署既与网络监测质量关系密切,又是后续各种协议和算法的设计基础。因此,如何设计合理有效的节点部署策略成为水下无线传感器网络设计中最基本的问题。水下无线传感器网络节点部署策略可分为随机性部署和确定性部署两大类。对于确定性部署,按照对节点移动能力的假定,可分为静态部署、移动受限部署、自由移动部署三类。AUV等技术的出现为实现节点在水下环境中沿各个方向自由移动提供了可能,出现了不少水下无线传感器网络节点自由移动部署算法。但是,该类算法仍存在一些不足之处,如算法通常只考虑网络覆盖率,却忽略了网络连通率、网络部署能耗、网络生存周期等其他优化指标。为此,文章展开了如下研究:(1)由于现有的节点非均匀部署算法很难在确保网络覆盖率的同时对网络连通率和生存周期进行优化,本文提出了一种基于分簇的节点非均匀部署算法。在分簇的同时对节点通信半径进行异构处理,并定义了综合贡献度,用综合贡献度较小的节点替代在网络运行中即将死亡的节点。仿真结果表明,所提出的算法能使网络获得更好的覆盖率和连通率,并能减少节点总移动距离、延长网络生存周期。(2)由于现有的节点部署算法很难使网络在确保全连通的前提下提高网络覆盖率,且未对部署过程中的通信能耗和移动能耗进行优化,本文提出了一种基于连通支配集的节点部署算法。当节点被随机播撒在水下三维监测空间后,未连通的节点移向Sink节点直至网络达到全连通,之后Sink节点进行集中式优化计算,确定网络连通支配集,并对非连通支配节点位置进行优化调整。仿真结果表明,所提出的算法既能使网络保持全连通,又能使网络实现较高覆盖率,同时减少部署过程中的通信能耗和移动能耗。(3)由于现有的节点重部署算法很难在充分考虑节点运动的前提下,以尽量少的网络能耗改善网络运行过程中的覆盖率和连通率,本文提出了一种基于分层连通树的节点重部署算法。首先,各节点通过自检调整避免运动至监测空间外;然后,网络进行逐级分层,变成以Sink节点为根节点的分层连通树;最后,Sink节点结合网络覆盖率、网络连通率、节点移动耗能,对分层连通树中的叶子节点位置进行优化调整。仿真结果表明,所提出的算法能够使网络中的节点尽量位于监测空间中,并能使网络在运行过程中保持更好的覆盖率和连通率,同时能减少重部署过程中的移动能耗、延长网络生存周期。
【关键词】：节点非均匀部署 综合贡献度 全连通 节点重部署 网络生存周期
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-14
• 1.2.1 水下无线传感器网络研究现状13
• 1.2.2 水下无线传感器网络关键问题13-14
• 1.3 论文研究目标及内容14-15
• 1.3.1 研究目标14
• 1.3.2 研究内容14-15
• 1.4 各章节内容安排15-16
• 第二章 水下无线传感器网络及部署问题的研究16-26
• 2.1 水下无线传感器网络结构及特点16-18
• 2.1.1 水下无线传感器网络结构16-18
• 2.1.2 水下无线传感器网络特点18
• 2.2 水下无线传感器网络节点部署问题18-23
• 2.2.1 相关概念18-22
• 2.2.2 算法评价指标22-23
• 2.3 相关研究工作23-25
• 2.3.1 静态部署23-24
• 2.3.2 移动受限部署24
• 2.3.3 自由移动部署24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 基于分簇的水下无线传感器网络节点非均匀部署算法26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 预设条件、模型与定义26-29
• 3.2.1 预设条件26-27
• 3.2.2 模型27
• 3.2.3 定义27-29
• 3.3 问题及算法描述29-31
• 3.3.1 问题描述29
• 3.3.2 算法描述29-31
• 3.4 仿真算例与分析31-35
• 3.4.1 对比算法及评价指标31
• 3.4.2 仿真场景和参数31-32
• 3.4.3 仿真结果与分析32-35
• 3.5 结语35-36
• 第四章 基于连通支配集的水下无线传感器网络节点部署算法36-46
• 4.1 引言36
• 4.2 预设条件36
• 4.3 问题及算法描述36-41
• 4.3.1 问题描述36-37
• 4.3.2 算法描述37-41
• 4.4 仿真算例与分析41-45
• 4.4.1 对比算法及评价指标41-42
• 4.4.2 仿真场景和参数42
• 4.4.3 仿真结果与分析42-45
• 4.5 结语45-46
• 第五章 基于分层连通树的水下无线传感器网络节点重部署算法46-56
• 5.1 引言46
• 5.2 相关定义与预设条件46-47
• 5.2.1 相关定义46-47
• 5.2.2 预设条件47
• 5.3 问题及算法描述47-50
• 5.3.1 问题描述47-48
• 5.3.2 算法描述48-50
• 5.4 仿真算例与分析50-54
• 5.4.1 对比算法及评价指标50-51
• 5.4.2 仿真场景和参数51
• 5.4.3 仿真结果与分析51-54
• 5.5 结语54-56
• 第六章 总结与展望56-58
• 6.1 总结56-57
• 6.2 展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-65
• 附录65

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