水下无线传感器网络的节点部署策略和算法

摘要

作为无线传感器网络在水下环境的延伸，水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Networks，UWSNs）已经引起了学术界的广泛关注。通过在既定水域部署采用声波通信方式的水下传感器节点，水下传感器网络可应用于海洋环境监测、水下地质灾害预警、水下资源勘探、水下军事应用等领域。广阔的应用前景使得它近年来逐渐成为一个新的研究热点。然而，除了水下传感器网络具有天生的信道窄、传输速率慢、延时严重等问题，复杂的水下环境、待测目标的动态性、以及水流运动造成的节点的移动性等因素也为 UWSNs的节点部署问题带来了新的挑战。
　　因此，本文围绕水下传感器网络节点部署问题，对已有的节点部署方法进行分析和总结，并提出了一种基于泰森（Voronoi）图的水下传感器网络节点深度调节方法。该方法以泰森图多边形的面积为节点疏密度的考量单位，将随机部署于待测水域的节点按层次划分，并利用节点的下沉机制扩大水下覆盖范围。该方法提高了水下传感器网络节点部署效率，简化了部署过程的复杂度。此外，我们利用仿真实验重点考察了该方法在待测水域中的覆盖率和连通率，通过实验结果的分析表明了该方法有着良好的覆盖性能，而连通率很大程度取决于节点的感知能力与传输能力之间的比例。
　　最后，本文设计并实现了基于GAINZ硬件平台的温度采集系统，GAINZ为中国科学院计算技术研究所研制的WSNs开发套件。通过将节点按功能分类阐述了系统的实现过程，并将本文所提的部署策略的核心思想融入该系统。通过系统测试验证了该系统功能的完整性及本算法的可行性,并证明了算法在一定条件下可优化网络内节点数目。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究目标及内容

1.4 论文课题来源与主要贡献

1.5 论文组织结构

第二章 水下无线传感器网络及相关问题的研究

2.1 水下无线传感器网络及其特点

2.2 水下无线传感器网络的构成元素

2.3 水下无线传感器网络节点部署的相关问题

2.4 本章小结

第三章 传感器网络节点部署算法的研究

3.1 基于部署方式的节点部署算法

3.2 基于优化对象的节点部署算法

3.3 基于部署特性的节点部署算法

3.4各类部署算法比较

3.5 本章小结

第四章 基于泰森图的水下无线传感器网络节点的深度调节算法

4.1 引言

4.2 系统架构和假设

4.3 相关定义

4.4 基于泰森图的节点深度调节算法

4.5 仿真实验与结果分析

4.6 本章总结

第五章 基于GAINZ硬件平台的无线传感器网络数据采集系统

5.1 GAINZ平台简介

5.2 基于GAINZ的数据采集系统的设计和实现

5.3 系统应用测试及结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

致谢