基于ELV的水下传感器网络节能算法研究

摘要

随着无线传感器网络的发展和大规模应用，水下传感器网络的应用也越来越受到人们的关注。水下传感器网络是一种新型的网络范例，被设想应用于海洋数据采集，海洋污染监测，海面探测，海上灾难预防，海上援助导航和战术监控应用等。水下传感器网络通常由若干靠声波互相通信的水下传感器、水下自治机器人(AUV)和一个负责与陆地上的控制中心进行联络的水面基站组成。AUV是一个无人操作的自动式平台，他们为海洋研究者们关于如何收集海洋数据的问题提供了简单、长期且廉价的解决方案。通常AUV被应用于海洋取样，水下系统检查，并在军事上用于鱼雷防范措施操作。由于配备AUV的水下传感器网络可以不受范围和电缆的限制在远程控制下运作，因此它们能够在海洋学，海洋环境监测，水下资源研究中有广泛的应用。目前，人们的研究工作已经证明了配备价格低廉的AUV和多个水下传感器的潜水艇可以到达海洋中的任何深度，这说明它们还可以在许多方面加强水下传感器网络的性能，如对三维沿海的海洋环境的取样等。 尽管水下传感器网络有着广阔的应用前景，但水下环境的特殊性造成了水下传感器节点能量有限且无法再充电的特点，这构成了水下传感器网络应用的瓶颈。因此如何能节约水下传感器网络节点的能量，延长网络生命周期，是水下传感器网络研究中的一个热点。 本文以此为研究背景，首先介绍了水下传感器网络的结构，特性，配备AUV的水下传感器网络的特点，水下传感器网络的应用和设计因素；本文分析了水下传感器网络的能量消耗因素，并研究了现有的一些应用于水下传感器网络的节能技术和策略；结合某些陆地无线传感器网络和水下传感器网络的节能协议并加以改进，本文提出了一个水下传感器网络节能模型，并重点描述了水下传感器网络的簇的构成和信道建立过程；随着AUV技术的发展，很多水下传感器网络都配有AUV，因此水下传感器网络与AUV的通信问题也成为人们研究的焦点，本文分析了AUV的控制机制和运动模式，并结合本文提出的水下传感器网络模型提出了一个用于水下传感器网络与AUV实时通信的能效路由协议，该路由协议能够使水下传感器节点及时追踪到AUV的位置并将信息数据包由最短路径传递给AUV；令水下传感器节点进入周期性的休眠是水下传感器网络节能的最有效途径，但由于休眠导致的通信延迟增大，或由于AUV的高速移动都会引起信息数据包传送成功率的降低。针对此问题，本文提出了命中率的概念并从理论上描述了在保证信息传送成功率的情况下，能量消耗、通信延迟、移动速度 (Energy、Latency、Velocitv简称ELV)三者之间的关系，即：基于ELV的水下传感器网络优化算法，为水下传感器网络设计权衡各参数的选择提供了理论依据，并通过仿真证明该算法能使网络保证一定的信息传递成功率并节省能量。

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文摘

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0引言

1水下传感器网络概述

1.1水下传感器网络结构

1.2水下传感器网络特性

1.3配备AUV的水下传感器网络

1.4水下传感器网络应用研究

1.5水下传感器网络设计的因素

2水下传感器网络中节能协议分析

2.1能量消耗和节能技术

2.2水下传感器网络中的节能协议

2.2.1水下传感器网络的通讯结构

2.2.2 MAC层的节能协议分析

2.2.3网络层的节能协议分析

2.2.4传输层的节能协议分析

3基于节能的水下传感器网络模型

3.1水下传感器网络的簇型模型

3.1.1簇的结构模型

3.1.2簇的初始化

3.1.3簇的维护

3.2网络信道模型

3.2.1信道传播模型

3.2.2信道的建立和分配

4基于水下传感器网络的AUV运行和通信

4.1 AUV的运行模型

4.2 AUV在任意簇中的平均移动距离

4.3基于AUV位置信息的能效路由协议

5基于ELV的水下传感器网络优化设计

5.1问题的提出

5.2命中率的概念

5.3 AUV位置更新时间

5.4基于ELV的水下传感器网络优化算法

5.5仿真分析

6总结与展望

参考文献

致谢

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