水下无线传感器网络的能效策略研究

论文摘要

随着人类对海洋资源需求的不断膨胀,世界各国纷纷开发研制新型的水下信息获取装置。水下无线传感器网络由此应运而生,其凭借独特的信息感知、获取、处理及传输的独特优势,广泛应用于水下目标探测与定位、海洋环境监测、海难预防和海洋资源开采等多个领域,在信息产业领域开辟了一个新的研究领域。伴随水下无线传感器网络的发展,节点定位技术、能效技术以及网络通信技术等多种关键技术也相继得到了发展。由于能效技术是大部分关键技术的基础,也是衡量其他关键技术性能的重要参考指标,因此,本课题就如何节省节点能量和均衡网络能耗作为研究重点。本文首先综述了水下无线传感器网络能效策略的研究现状,并介绍了海洋中水声传输信道的特点,指出影响水下无线传感器网络生存期的两个主要原因:一是水下传感器节点携带能量有限;二是水声信道相比无线电传输信道,具有传输速度慢、传输时延长、传输损耗高的特点,这样严重制约了水下声波信号的传输。然后,对比现有的传感器网络能效策略,主要进行了以下两个方面的研究:一方面,相关研究已经表明,良好的网络拓扑结构可以减小节点间的通信干扰。因此,可以采用拓扑控制的方法来实现节点能量的高效利用,延长水下无线传感器网络的生存期。本文首先通过介绍在网络拓扑控制所用的图论理论以及几种基于最小生成树的典型拓扑控制算法,从而发现了这些算法存在的不足;然后,通过分析网络通信干扰和数据传输路径两者之间相互制约的关系,得到减少网络通信干扰和节省网络能耗相一致的观点,于是提出一种平均干扰强度限制的拓扑控制算法（Average Interference Confining, AIC）。该算法对网络中所有通信链路赋予了干扰强度权值,可以使每个节点在建立局部拓扑时优先考虑通信链路的干扰强度,从而有效降低了全网的通信干扰,一定程度上延长了网络生存期。同时,由于局部拓扑构是基于节点角度扇区的思想建立的,其结构往往包含若干个最小生成树,因此无形中增加了节点间的数据传输路径,而且通过采用局部拓扑的平均干扰限制了干扰强度较大链路的形成,从这个意义上说AIC算法在减少网络通信干扰和增加数据传输路径之间找到了较好的折中。另一方面,相比传统网络的路由协议,水下传感器网络的路由协议通常以能量优先,而且把延长整个网络生存期作为路由协议设计的重要目标。反过来说,良好的路由协议可以节省节点能量,均衡网络能耗。因此,可以设计高效的路由协议来延长网络生存期。本文首先介绍了水下传感器网络路由协议的主要特点和已有的不同分类标准的路由协议;然后,通过描述传统能量路由协议的建立思想,指出传统能量路由协议在解决网络能耗问题存在的片面性,于是综合考虑多种影响能量路由协议设计因素,提出一种选优能量路由协议（Excellent-Choosing Energy Routing Protocol）。该协议主要将路由选择问题归结为非线性规划问题,通过建立关于节点剩余能量、节点间通信能耗和跳数的目标函数,利用约束条件求解目标函数找出最佳的数据传输路径,从而达到均衡网络能耗的目的。本文最后利用理想化水声信道模型对提出的两种能效策略进行了仿真分析与验证。首先,对AIC算法形成的网络拓扑的性能进行了理论证明,并且从网络通信干扰、平均节点度、链路能量消耗三个方面,将AIC算法与其他基于最小生成树的拓扑控制算法进行了比较。仿真结果表明,采用AIC算法构建的网络拓扑结构,具有较低的通信干扰,改善了网络性能,可以延长网络生存期。然后,利用OPNET网络仿真软件对选优能量路由协议进行了仿真设计,而且将该协议从单个节点生命期和网络能量消耗两个方面与传统能量路由协议进行了对比。仿真结果表明,选优能量路由协议可以有效节省节点能量,延长网络生存期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水下无线传感器网络的研究背景和意义
• 1.1.1 水下无线传感器网络概述
• 1.1.2 水下无线传感器网络的研究进展
• 1.1.3 水下无线传感器网络的研究意义
• 1.2 水下无线传感器网络能效策略的研究现状
• 1.2.1 系统硬件设备
• 1.2.2 网络协议算法
• 1.3 本文的主要研究任务
• 1.4 本文的内容安排
• 第二章 水下无线传感器网络的传输信道
• 2.1 海水中水声信道的主要特征
• 2.1.1 传播损失
• 2.1.2 多途径效应
• 2.1.3 多普勒效应
• 2.1.4 环境噪声
• 2.2 海水中水声信道的物理模型
• 2.2.1 海水中水声信道的关键术语
• 2.2.2 海水中水声信道的传播路径
• 2.3 基于理想化水声信道的水下无线传感器网络模型分析
• 2.3.1 理想化水声信道
• 2.3.2 通信能耗模型
• 2.3.3 网络协议分层模型
• 2.4 本章总结
• 第三章 基于AIC 拓扑控制算法的能效技术
• 3.1 基于图论理论的拓扑控制技术
• 3.1.1 图论理论
• 3.1.2 最小生成树理论
• 3.1.3 基于最小生成树的典型拓扑控制算法
• 3.2 拓扑控制技术的能效分析
• 3.3 AIC 算法的设计
• 3.3.1 网络模型假设及相关定义
• 3.3.2 算法设计
• 3.3.3 算法描述
• 3.4 本章总结
• 第四章 基于选优能量路由协议的能效技术
• 4.1 水下无线传感器网络路由协议的特点
• 4.2 水下无线传感器网络路由协议的分类
• 4.2.1 平面式和层次式路由协议
• 4.2.2 主动式和被动式路由协议
• 4.2.3 其他类型的路由协议
• 4.3 能量路由协议的能效分析
• 4.4 选优能量路由的设计
• 4.4.1 网络模型假设及相关定义
• 4.4.2 选优能量路由协议的设计
• 4.4.3 协议描述
• 4.5 本章总结
• 第五章 算法性能分析和仿真验证
• 5.1 基于AIC 算法的水下无线传感器网络仿真
• 5.1.1 AIC 算法性能分析
• 5.1.2 网络通信干扰比较
• 5.1.3 其他典型算法仿真
• 5.1.4 AIC 算法仿真
• 5.2 基于选优能量路由协议的水下无线传感器网络仿真
• 5.2.1 网络仿真平台简介
• 5.2.2 仿真试验设置
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 5.3 本章总结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果