水下无线传感器网络覆盖控制策略与算法研究

发布时间：2020-10-08 15:32

　　水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)是由具有自主计算能力的传感器节点在水环境中自组织形成的网络监测系统,通常应用于水下信息或资源的收集和探测、水下灾难预警和领海军事防御等领域。UWSNs的研究包括网络覆盖控制、节点定位、时间同步、水下通信安全和网络能效性等方面。网络覆盖控制作为其他研究内容的前提具有重要的研究意义。水下无线传感器网络覆盖控制问题包括网络节点部署、网络K覆盖、网络覆盖保持和空洞修复等方面。本文主要研究节点部署问题和网络K覆盖问题。因此,本文做了如下研究:(1)针对移动受限节点自部署中现有算法存在的问题,本文提出基于不均匀分簇半径可调的水下无线传感器节点自部署算法。算法首先根据与Sink节点的距离对网络节点进行不均匀分簇,从而形成不均匀的网络布局;然后簇头节点构建与Sink节点的连通路径保证网络连通;最后,簇头节点通过维持水面不均匀布局来调节自身深度,并以最小化簇内节点跳数为前提,优化簇内节点位置。仿真结果表明,该算法可以提高网络可靠性,均衡和降低网络能耗,同时提升网络覆盖率。(2)针对移动自由节点自部署中现有算法存在的问题,本文提出基于鸽群优化的水下无线传感器节点自部署算法。首先,Sink节点寻找一跳节点并最大化一跳区域网络覆盖率;随后一跳节点对网络进行分层和分簇,同时簇头节点构建与Sink节点的连通路径以保证网络连通;最后,簇头节点以节点移动距离与覆盖冗余度的比值为目标,采用鸽群算法优化节点部署位置。仿真结果表明,该算法可以提高网络连通率和网络可靠性,降低网络部署能耗,并在一定程度上提高了网络覆盖率。(3)针对网络K覆盖中现有算法存在的问题,本文提出分布式能量有效的水下无线传感器网络事件K覆盖算法。该算法根据节点的邻居节点数和平均剩余能量及与事件的距离来竞争管理节点;随后,管理节点计算各节点被其管理的事件选择的概率;最后,各管理节点以其邻居节点的期望能耗,剩余能量方差以及探测性能为目标建立多目标优化模型,并选择最优调度策略。仿真结果表明,该算法能均衡和降低网络能耗,延长网络的最佳服务质量和网络生命周期。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212.9;TN929.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 水下无线传感器网络
        1.2.1 水下无线传感器网络及其架构
        1.2.2 水下无线传感器网络的特点
    1.3 研究现状及问题
        1.3.1 国内外研究现状
        1.3.2 关键研究问题
    1.4 研究意义及内容
        1.4.1 研究意义
        1.4.2 研究内容
    1.5 各章安排
第二章水下无线传感器网络覆盖控制问题研究
    2.1 概念简介
        2.1.1 节点感知模型
        2.1.2 节点通信模型
        2.1.3 覆盖冗余度模型
        2.1.4 水下能耗模型
        2.1.5 节点(事件)移动模型
        2.1.6 评价指标
    2.2 相关工作
        2.2.1 移动受限节点自部署
        2.2.2 移动自由节点自部署
        2.2.3 网络K覆盖
    2.3 本章小结
第三章基于不均匀分簇的水下传感器网络节点自部署算法
    3.1 引言
    3.2 前期准备
        3.2.1 预设条件
        3.2.2 网络模型
    3.3 问题描述
    3.4 算法描述
        3.4.1 不均匀分簇
        3.4.2 混合半径的路径选择法构建连通路径
        3.4.3 簇头节点计算各节点的下潜位置
        3.4.4 寻找下一个需要调节的簇
    3.5 仿真算例与分析
        3.5.1 仿真场景及参数设置
        3.5.2 仿真算例
    3.6 本章小结
第四章基于鸽群优化的水下传感器网络节点自部署算法
    4.1 引言
    4.2 前期准备
        4.2.1 预设条件
        4.2.2 网络模型
    4.3 问题描述
    4.4 算法描述
        4.4.1 鸽群优化算法
        4.4.2 PSA算法描述
    4.5 算法分析
        4.5.1 鸽群算法时间复杂度
        4.5.2 PSA算法时间复杂度
    4.6 仿真算例与分析
        4.6.1 仿真场景及参数设置
        4.6.2 仿真算例
    4.7 本章小结
第五章分布式能量有效的水下传感器网络事件K覆盖算法
    5.1 引言
    5.2 前期准备
        5.2.1 预设条件
        5.2.2 网络模型
        5.2.3 相关定义
    5.3 问题描述
    5.4 算法描述
        5.4.1 管理节点形成
        5.4.2 节点选择概率计算
        5.4.3 多目标优化模型的建立
        5.4.4 含约束的NSGA-Ⅱ法求解及最优策略的选择
    5.5 算法分析
        5.5.1 报文复杂度
        5.5.2 算法时间复杂度
    5.6 仿真算例与分析
        5.6.1 仿真场景及参数设置
        5.6.2 仿真算例
    5.7 本章小结
第六章总结和展望
    6.1 总结
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
附录

【参考文献】