水下无线传感器网络能量高效路由协议研究

摘要

由于水下无线传感器网络(UWSN)因能量补充的限制以及水声信道的独特的复杂性，使得整个网络在工作中能量处于匮乏状态，且极不易补充。因此，如何减少网络功耗，延长网络寿命，设计出适合水声环境的网络路由协议是一个重要的研究课题。
　　本文在充分研究现有的陆地无线传感器网络路由协议和水下无线传感器网络路由协议的基础上，针对LEACH协议在水声环境中使用的不足之处进行改进，同时结合蚁群算法，提出两种改进的路由协议，并对其进行了理论和实验两方面的论证和分析。其主要内容如下：
　　1）针对UWSN能量供给及网络寿命的不足，在现有分簇路由协议的基础上提出了一种均衡节点能耗，延长网络生命周期的路由协议算法：基于蚁群的UWSN能量路由协议。该协议将蚁群算法用于UWSN的路由优化中，在数据传输时找到最优的路径，达到节约簇头节点能量，延长整个网络生命周期的目的。同时，在簇头选举时，优化簇头选举策略，均衡簇头能量消耗。
　　2）针对由于汇聚节点sink(基站)位置固定而导致靠近汇聚节点位置的簇首节点能量消耗过快的不足之处。提出一种动态sink的非均匀分簇路由协议算法。利用sink的可变性，当距离sink较近且中转路径最多的簇首节点的能量低于阈值Y时，sink节点会自动移动游走到邻近能量相对充足的簇首节点。且每一次sink的游走距离不长，网络整体处于相对稳定的状态，同时，还采用蚁群算法进行路径的选择。该协议有效地分配了整个网络簇首节点的能量，延长了整个网络的寿命。
　　基于蚁群的UWSN能量路由协议采用固定式的汇聚节点进行信息的传递与中转，能在一定程度上节省节点能耗，延长网络的生命周期，但会因汇聚节点固定而使簇首节点能耗不均衡。而基于动态sink的UWSN能量路由算法在基于蚁群的UWSN能量路由协议的基础之上采用可变sink的形式进行信息的传递和中转，很好的解决了因sink固定而造成的能耗不均衡的情况。
　　实验仿真结果表明：本文提出的两种新的路由协议有效的降低了节点的能量消耗，提高了节点的传输效率，有效的延长了整个网络的生命周期。

目录

声明

第一章 绪 论

§1.1水下无线传感器网络研究背景与意义

§1.2国内外研究现状

§1.3论文工作和章节安排

第二章 水声网络相关理论及协议和算法

§2.1水下无线传感器网络的特点

§2.2水下无线传感器网络概述

§2.3水下无线传感器网络分簇算法

§2.4水下无线传感器网络路由协议

§2.5 UWSN面临的问题与挑战

§2.6本章小结

第三章 基于蚁群的水下无线传感器网络能量路由协议

§3.1原理模型

§3.2基于蚁群的非均匀分簇算法

§3.3仿真与结果分析

§3.4本章小结

第四章 基于动态sink的水下无线传感器网络能量路由算法

§4.1算法设计

§4.2基于动态sink的路由算法

§4.3仿真与结果分析

§4.4本章小结

第五章 总结与展望

§5.1总结

§5.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果