水下无线传感器网络路由机制研究

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水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,简称UWSNs)存在长延时、能量有限、动态拓扑、高误码率等问题,适用于陆地无线传感器网络的算法无法直接应用在水下无线传感器网络中。设计一种适用于水下无线传感器网络的路由协议对于提升网络性能具有重要的意义。基于以上原因,本论文在以下几方面展开了研究:(1)提出了一种适用于多sink节点(水面上负责与数据中心和水下节点通信)、独立于位置信息的基于竖直角度的最短路径路由协议(SPRVA)。依据水下无线传感器网络的系统端到端延时和能耗均随传播距离的增加而增加,本算法中提出在水面上布置多个sink节点时,竖直方向到达水平面距离最短的路径为传输路径。这条路径的确定主要通过计算发送节点到邻居方向与竖直方向的夹角实现。为了做到能量均衡和减少链路中噪声的影响,在计算邻居节点优先级时,引入了剩余能量和链路质量。此外,为了避免选择空旷节点作为下一跳而引起的包交付失败,设计了恢复算法。在多sink节点的网络中该算法能耗和延时方面的性能优越。(2)提出了一种既适用于多sink节点网络又适用于单sink节点网络、基于矢量的路由算法。本部分根据实际场景需要,设计了基于接收信号强度的路由算法(RRSS)和基于即时通信环境下的路由算法(IMER)。在基于接收信号强度的路由算法中,水下节点依据接收到的来自sink节点信标信号的接收信号强度值以及来自邻居节点控制包的接收信号强度值分别建立矢量,根据这两个矢量确定最佳下一跳。为了避免所选择的转发节点找不到到达sink节点的下两跳节点信息,设计了空白避免算法。在基于即时通信环境下的路由算法中,每个水下节点依据收到的信标信号建立到达sink节点的矢量,即理想路径。同时,水下节点依据来自sink节点的信标信号和邻居节点的控制包传输经历的时间建立矢量,最接近理想路径的节点被选为最佳下一跳。由于即时通信环境下算法中对所选择的下一跳没有方向的限制,为了避免数据在两个节点之间循环转发,设计了循环避免算法。通过仿真和理论分析证明所设计算法在单sink节点的网络中可以缩短延时、降低能耗。(3)提出了一种基于优化的和声搜索算法和编码技术的跨层路由算法。将和声搜索算法和编码技术相结合,以解决水下无线传感器网络误码率高、能量消耗不均衡的问题。算法中,将水下节点按照初始能量值和所承担角色的不同分为簇头节点和普通节点。在分簇过程中使用优化的和声搜索算法,该算法使得簇头节点和普通节点能量更均衡;而在数据从源节点到达sink节点的过程中使用编码技术,并结合节点的剩余能量值和前进距离确定转发节点。通过设计路由更新算法,保证在动态拓扑网络中获取的路由信息的有效性。该算法在增加网络可靠性的同时,节点间能量均衡性能较好。
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