三維水下無線傳感器網(wǎng)絡中能耗均衡的拓撲控制及優(yōu)化算法研究.pdf

1、近年來，隨著世界各國對海洋權益日益重視以及對海洋資源的不斷開發(fā)利用，作為認識和了解海洋的便利工具，水下無線傳感器網(wǎng)絡逐漸成為信息領域的研究熱點。水下無線傳感器網(wǎng)絡不僅面臨著節(jié)點能量有限、通信能力有限、計算/存儲能力有限等問題;還存在由海水腐蝕造成的節(jié)點易失效問題，由水流作用造成的節(jié)點隨機移動問題，以及水聲通信的高延時、高誤碼率、多徑效應等問題。本文以降低和均衡網(wǎng)絡能量消耗、延長網(wǎng)絡壽命為出發(fā)點，利用拓撲控制技術分別研究了小型三維水下無線

2、傳感器網(wǎng)絡和大型三維水下無線傳感器分層網(wǎng)絡中的能耗不均問題，在延長網(wǎng)絡壽命的同時，根據(jù)水下實際環(huán)境優(yōu)化網(wǎng)絡的其它性能。文章的具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)針對小型三維水下無線傳感器網(wǎng)絡能耗不均、通信質量差和節(jié)點易失效問題，本文提出了一種基于最優(yōu)剛性圖的拓撲控制算法。首先，考慮到節(jié)點能耗不均問題以及水聲通信方式高誤碼率問題，結合節(jié)點傳輸負載特征和節(jié)點剩余能量設計了一種均衡負載權值函數(shù)和以通信距離為基礎設計了一種鏈路質量權值函數(shù);然后

3、，考慮到水下無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點易失效問題，結合最優(yōu)剛性圖的特點，將上述兩個權值函數(shù)相結合作為節(jié)點間鏈路權值，構建3-連通網(wǎng)絡拓撲結構，提高了網(wǎng)絡魯棒性;最后，周期性重構網(wǎng)絡拓撲，保證網(wǎng)絡連通性。同時論文在理論上證明了該拓撲結構能夠有效約束網(wǎng)絡平均節(jié)點度，并且不產(chǎn)生關鍵節(jié)點。最后通過仿真實驗，驗證了本算法可有效提升網(wǎng)絡壽命、鏈路質量等性能。
　　(2)針對大型三維水下無線傳感器分層網(wǎng)絡中簇首節(jié)點能耗不均問題以及水聲通信的高時延問題

4、，本文提出了一種基于等級劃分的非均勻分簇算法?？紤]到相近水深的簇首節(jié)點的簇內(nèi)成員數(shù)量差別較大問題，本文分析節(jié)點密度和節(jié)點位置對簇首節(jié)點能耗的影響，優(yōu)化選簇過程;考慮到相近水深的簇首節(jié)點轉發(fā)其他簇首節(jié)點數(shù)據(jù)數(shù)量差別較大問題，提出一種新型的簇首節(jié)點等級劃分方法，劃分簇首等級，優(yōu)化節(jié)點入簇過程;并在路由選擇過程中，建立綜合考慮傳輸能耗和通信時延的簇間路由，在優(yōu)化均衡網(wǎng)絡能耗的同時，降低網(wǎng)絡時延。最后通過仿真對比，驗證了本算法可有效均衡網(wǎng)絡能耗