水声传感器网络垂直移动节点部署与定位机制研究

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水声传感器网络(UASNs)作为无线传感器网络(WSNs)在水下的延伸,目前已在海洋环境监测、海啸灾害预警、水下资源勘探、海上战争等领域得到广泛应用。作为水声传感器网络的基础研究,节点部署和节点定位是水下路由设计、拓扑控制等其余研究的先行工作。受水下环境以及水声信道特性的影响,传统WSNs的部署与定位机制都难以直接适用于水下。除了从二维网络向三维网络的转变之外,受水流影响导致的节点运动、节点在水下能量有限等问题都对水声传感器网络部署与定位研究带来了新的挑战。与静止节点相比,使用垂直移动节点能够以较小的代价提升对网络动态变化的适应性。首先,围绕节点部署问题,本文提出了一种基于泰森多边形(Voronoi图)的深度调节优化部署机制(Voronoi-based Optimized Depth Adjustment,VODA)。在初始阶段,网关节点收集网络中所有传感器节点的水平坐标生成泰森多边形,根据每个节点对应的泰森多边形面积和节点间距离选择留在水面上的首领节点;接着,借助图的着色理论给节点分配了不同的层标号(LID),具有相同LID的节点之间不存在过多的覆盖重叠;最后,节点依据LID从小到大的顺序依次计算并下沉到指定深度。仿真结果表明,所提部署机制在保证节点连通性的前提下,通过节点的深度调节提高了网络的覆盖率,同时有效延长了网络生命周期。接着,针对节点定位问题,本文提出了一种基于垂直移动信标的迭代定位机制(Mobile-beacon Based Iterative Localization,MBIL)。所提定位机制分为两个阶段:第一阶段中,垂直移动信标作为锚节点以固定深度间隔向传感器节点广播定位信息,帮助部分传感器节点实现定位;第二阶段中,已定位节点计算自身置信度,未知节点根据相邻已定位节点的置信度、坐标和距离,选取最合适的一组节点作为参考节点,进而转变为新的已定位节点,由此实现迭代定位。仿真结果表明所提定位机制能够实现较高的定位比率,同时大幅度降低了因水下声速变化和翻转歧义引入的节点定位误差,均衡了节点能耗,使网络获得更长的生命周期。
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