基于网格划分和虚拟力的水下传感器网络部署策略研究

摘要

水下传感器网络相较于传统的无线传感器网络具有稀疏性，复杂性，声学通信，能量有限等特点。由于水下节点昂贵，无法大规模密集部署，所以随机部署的水下传感器网络往往达不到很高的覆盖效率。确定性部署虽然能达到较高的覆盖效率，但并不适用于部署区域范围过大，节点数目过多或部署区域不可达的情况。本文的主要工作就是针对水下传感器网络的特点，结合二维陆上传感器网络的研究成果，进一步研究三维水下传感器网络的节点部署方法：
　　介绍水下传感器网络、水下传感器节点的体系结构，以及水下传感器网络的特性。概述水下传感器网络部署的技术，介绍三维空间多面体填充理论，并阐述水下节点部署问题与三维空间多面体填充问题的相似之处，为进一步研究水下传感器网络部署问题提供准备工作。
　　针对水下传感器网络特点，结合三维空间多面体填充理论及虚拟势场理论，本文首先提出一种基于网格划分和虚拟力的水下传感器网络部署策略。该策略将原三维部署问题简化为二维水平面的预部署问题，在水平面将节点划分到不同的网格，使用成熟的陆上传感器网络模型，引入传统的无线传感器网络虚拟力算法。最后控制节点使之在垂直方向上移动，生成体心立方格水下监视网络，其Voronoi分割单元为截角八面体。仿真结果表明，这种部署方式实现网络基本全覆盖的同时，所需要的节点数目更少，有效地减少了网络的部署成本。
　　针对水下传感器网络环境复杂，节点易失效等问题，本文提出基于立方体网格区域划分的覆盖检测机制。该机制将二维网格划分理论拓展到三维应用中，通过监测网格中每个单元是否至少被一个节点覆盖，来检测整个网络的覆盖情况。若网格中所有单元都被覆盖，则整个网络都被覆盖。引入一个参数v定义为网络的覆盖矩阵，通过该矩阵能有效得知网络的空洞大小与位置。仿真结果表明，该机制检测相对误差较少，且适合大规模水下传感器网络的应用要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水下传感器网络国内外研究现状

1．2．2 节点部署问题的研究现状

1．3 研究内容

1．4 论文结构

第二章 水下无线传感器网络相关技术概述

2．1 水下传感器网络概述

2．1．1 水下传感器网络体系结构

2．1．2 水下传感器节点体系结构

2．1．3 水下传感器网络的特点

2．2 水下传感器网络部署相关技术概述

2．2．1 水下节点部署问题的研究内容

2．2．2 节点的感知模型

2．2．3 节点部署情况评价指标

2．3 三维空间多面体填充理论概述

2．3．1 空间填充多面体

2．3．2 开普勒猜想

2．3．3 Kelvin猜想

2．3．4 多面体的体积系数和所需要的节点数目

2．4 本章小结

第三章 基于网格划分和虚拟力的水下传感器网络部署策略

3．1 引言

3．2 基本假设

3．3 问题描述

3．4 基本思想

3．4．1 网格划分

3．4．2 虚拟力算法

3．4．3 节点下降深度计算

3．5 算法步骤

3．6 仿真实验与结果分析

3．6．1 网格的权重

3．6．2 网络覆盖效率

3．7 本章小结

第四章 基于立方体网格区域划分的覆盖检测机制

4．1 引言

4．2 问题描述

4．2．1 现有的解决办法

4．3 基于立方体网格区域划分的覆盖检测机制

4．3．1 三维立方体网格的划分

4．3．2 获知空洞大小及位置

4．4 算法步骤

4．5 仿真实验与结果分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来展望

参考文献

作者简介

致谢