关键词：
水下传感器网络
链路状态
移动预测
自主水下航行器
能耗均衡
摘要：
随着人类对资源的需求不断扩大,海洋中蕴含的丰富的生物、矿产、可再生能源等资源已成为人类生存和发展的必然选择。水下传感器网络(Underwater Sensor Networks,UWSNs)因其在海洋环境研究和灾害监测、海洋生物探索、海洋资源勘探与开发、海洋军事国防安全、辅助导航等方面的广泛应用前景,受到了各国学者和政府的极大关注。路由协议是UWSNs整个系统的关键组成部分,它决定了传感器节点之间如何建立通信链路,以及数据如何在节点间传输。因此,UWSNs路由协议研究有着重要的现实意义。然而,UWSNs路由协议设计也面临着巨大的挑战,如,采用声波通信使得UWSNs延时较长,噪声干扰以及多径效应等导致UWSNs的误码率较高,复杂水下环境带来的能量受限、拓扑动态性高等特性。面对UWSNs中的问题与挑战,本文中主要从能量均衡、节点移动预测、链路质量和稳定性、AUV辅助等方面入手,结合元启发式算法、灰色系统理论和强化学习等技术进行了一系列的UWSNs路由协议设计研究。具体而言,本文的主要研究工作包括:
1、针对UWSNs能量受限和延时较长的问题,从能量均衡和延时方面入手,提出了一种基于改进蚁群算法和逼近理想解算法的路由协议。该协议依据UWSNs的特性对蚁群算法进行了改进,并基于改进的蚁群算法优化了逼近理想解算法。其次,协议在改进算法的基础上综合评估节点的跳距、剩余能量、节点密度、信息素浓度等因素对候选节点进行优先级排序,选择具有最佳排序结果的候选节点作为下一跳节点。此外,协议设计了一种节点状态转换规则,来避免网络中的某些节点能量过度使用,从而均衡整个网络的能量消耗,延长网络生存周期。最后,通过实验测试了协议的性能,并与现有的路由协议进行了对比验证。
2、以适应UWSNs节点的移动性为主要目标,综合能量受限的特性,提出了一种基于节点移动预测的路由协议。该协议在改进的GM(1,1)预测模型的基础上设计了节点移动行为预测方法和节点移动性预测规则。此外,协议根据剩余能量和路径距离为候选转发路径计算转发成本,进而根据计算的转发成本和移动预测指标,为候选节点计算路径选择因子,选择具有最小路径选择因子的候选节点作为下一跳转发节点。实验结果表明,所提出的协议对UWSNs节点移动性有较好的适应能力。
3、与上述协议不同的是,本阶段针对UWSNs脆弱的链路质量和链路不稳定性的问题开展了研究,并在此基础上设计了基于链路质量和稳定性的路由协议。该协议给出了两项链路状态衡量指标:链路质量和链路稳定性,并进一步考虑剩余能量设计了路径评估公式,来综合评估所有候选路径的优劣性,进而根据最优路径选择下一跳转发节点。此外,受Q-learning思想启发,协议中基于Q值奖惩机制设计了路径维护算法,用于维护通信链路,提升协议交付性能。最后,借助仿真实验平台测试了协议的性能。
4、近年来,自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的快速发展,有效的拓展了UWSNs的应用前景,成为UWSNs中的重要的辅助工具。在此背景下,论文尝试使用AUV来扩展协议设计方案,并结合异常检测和遗传算法,提出了一种AUV辅助的节能路由协议。协议设计了AUV辅助传输和纯路由模式混合的机制来提升交付性能。在改进局部离群因子检测方法的基础上设计了一种异常节点筛选机制,并基于优化的遗传算法设计了高效的AUV路径规划算法和AUV辅助传输调度规则。此外,借助仿真实验测试了改进遗传算法和协议的AUV辅助传输性能,并与现有的部分协议进行了对比分析。
5、现场实验是测试UWSNs协议性能的重要手段。论文给出了真实水下实验床-青海湖水域在线监测实验床的研究设计,并对各研究阶段中实验床的设备组成情况、设备性能参数和实验床所用软件架构等进行了具体说明。随后,对现场实验拓扑结构设计方案进行了详细阐述。最后,对现场实验的测试结果进行了分析。
同方学位论文库
详细信息
万方期刊数据库
