水下传感器网络覆盖控制算法研究

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水下传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks, UWSNs)是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的水下监测网络系统,可应用于水环境监测、资源勘测和战术监视等领域,目前UWSNs已引起了各国政府和研究机构的关注,成为当前研究热点之一。UWSNs的研究主要涉及水下通信技术、网络协议、节点部署和组网、水下仿真系统、定位跟踪、可靠数据传输与数据存储管理、水下安全等。其中,覆盖问题是保证水下传感器网络监测质量以及后续网络通信协议设计的基础,并且好的覆盖方案能够减少网络建设的成本。因此如何设计覆盖控制算法是一个关键问题。根据关注阶段的不同,可将覆盖控制方法分为如何部署传感器节点和节点部署完成后如何设计相关协议以保持网络覆盖。同时根据节点移动能力的大小,又可将部署问题分为节点移动受限下的部署和节点可自由移动下的部署。本文在现有研究的基础上,针对上述三个方面分别提出一种算法,主要工作如下:(1)首先针对节点移动受限的情况,提出一种节点深度调节算法,通过将整个网络组织成由多个子树组成的森林,来保证网络的连通,接着通过调节每棵子树中父子节点之间的距离来提高网络覆盖率。仿真结果表明,该算法在提高网络连通率和覆盖率方面均取得了较好的效果。(2)然后针对节点可自由移动的情况,提出一种基于虚拟力的节点重部署算法,首先引入节点速度因素,假设节点做匀速直线运动,在不同节点速度、节点数目、通信半径条件下从网络覆盖率和节点移动总距离两方面讨论了三维环境中运动中节点对虚拟力算法性能的影响。接着引入水流作用力调整节点位移,达到降低网络能耗的目的。(3)最后针对如何保持网络覆盖,我们提出一种网络分层的覆盖保持路由算法,由SINK节点开始将网络分割成半径不等的多层网络,每层网络独立的进行簇首选举,层与层之间通过簇首连通。仿真结果表明该算法延长网络覆盖时间,并保持了较好的网络连通率。
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