水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)淇刂扑惴ㄑ芯?/H1>
發(fā)布時(shí)間：2020-10-09 13:01
隨著海洋資源在人類生產(chǎn)與生活中的地位日益重要,水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSN)的研究工作也得到了更多的重視。拓?fù)淇刂萍夹g(shù)既關(guān)系著傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量與生命周期,也與后續(xù)的路由設(shè)計(jì)存在著密切聯(lián)系,因此它成為了水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)。通過(guò)研究水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù),可以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率,同時(shí)可以在保證高度覆蓋的前提下節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗,因此拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)水下環(huán)境的復(fù)雜性,本文采用了三維密集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ?定義了分割單元、集群以及臨時(shí)控制節(jié)點(diǎn)等,計(jì)算了分割單元和集群的大小、節(jié)點(diǎn)等級(jí)以及節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間等,最終針對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了集群休眠喚醒算法。本算法通過(guò)節(jié)點(diǎn)的輪換模式以及節(jié)點(diǎn)的休眠喚醒策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)水域的高度覆蓋,因此在改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞耐瑫r(shí)既保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量又節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能耗,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的能量耗盡以及因受外界因素干擾而過(guò)早死亡等情況,本文提出了一種漏洞修復(fù)算法。在算法中首先定義了失效節(jié)點(diǎn)、覆蓋漏洞、覆蓋矩陣、關(guān)鍵位置以及補(bǔ)充節(jié)點(diǎn),隨后設(shè)計(jì)了漏洞檢測(cè)方法并且通過(guò)計(jì)算確定了關(guān)鍵位置和補(bǔ)充節(jié)點(diǎn),最終提出了基于集群劃分的漏洞修復(fù)算法。算法利用覆蓋矩陣與漏洞邊緣節(jié)點(diǎn)確定出現(xiàn)的覆蓋漏洞是否需要進(jìn)行修復(fù)操作,若需要,則依據(jù)補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)序列選擇出合適的補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)并喚醒它,這樣就可以解決出現(xiàn)的覆蓋漏洞,提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的休眠喚醒策略相比,本文提出的集群休眠喚醒算法具有更高的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率,同時(shí)在覆蓋率相同的前提下能量消耗會(huì)更少。而本文提出的基于集群劃分的漏洞修復(fù)算法,與基于冗余節(jié)點(diǎn)的漏洞修復(fù)算法相比,節(jié)點(diǎn)利用率會(huì)更高,同時(shí)在修復(fù)相同大小的覆蓋漏洞時(shí)需要的能耗會(huì)更少。
【學(xué)位單位】：沈陽(yáng)理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212.9;TN929.3
【部分圖文】：
通信單元：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸工作，具有無(wú)線通信距離長(zhǎng)、能耗低等特點(diǎn)。逡逑電源部分：作為傳感器節(jié)點(diǎn)最基礎(chǔ)的組成單元，主要的工作是為節(jié)點(diǎn)提供能逡逑量。但是，由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，電源可供給的能量就十分有限，所以在設(shè)計(jì)逡逑網(wǎng)絡(luò)時(shí)要以低能耗、高精度為主要要求，采取一系列措施來(lái)節(jié)約能量。逡逑２．１．２水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分類逡逑針對(duì)不同的海洋環(huán)境及應(yīng)用需求，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被提出了不同的要逡逑求。在分析了多種海洋應(yīng)用后，最早被提出的是二維靜態(tài)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和逡逑三維靜態(tài)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在這兩種體系結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)均不能隨意移動(dòng)，要逡逑么被固定在海底，要么被錨定在水中，只能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)周圍的信息。后來(lái)為了更好逡逑地實(shí)現(xiàn)三維監(jiān)測(cè)，人們?cè)谒聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中加入自主水下航行器ＡＵＶ，組成新的逡逑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中ＡＵＶ?jǐn)y帶ＧＰＳ，可以準(zhǔn)確知道自己的位置信息，并且可逡逑以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求變化調(diào)整自己的位置與運(yùn)動(dòng)速度，但是成本太高，不適合大面逡逑。，這三下網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述。逡逑
逑器節(jié)點(diǎn)％的感知模型為一個(gè)以（Ｘ，，ｘ，ｚ，）為球心，以Ｇ為半徑的球體，也可稱為感逡逑知球，如圖２．５所示。因此對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的某個(gè)對(duì)象位于％的逡逑感知球內(nèi)時(shí)，就認(rèn)為該對(duì)象可以被＇檢測(cè)到。但若位于＇的感知球外時(shí)，則認(rèn)為《，逡逑不能檢測(cè)到這個(gè)對(duì)象。在本文中采用的就是該模型。逡逑圖２．５邋０－１感知模型示意圖逡逑Ｆｉｇ．２．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋０－１邋ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅｌ逡逑設(shè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)Ｑ的坐標(biāo)為那么該點(diǎn)Ｑ到傳感器節(jié)點(diǎn)逡逑的歐式距離為－Ｘ，）２邋＋（＾邋－乃Ｊ２邋－Ｚ，）２。所以傳感器節(jié)點(diǎn)》，能夠感逡逑知到點(diǎn)Ｑ的概率如公式（２－１）所示。逡逑ｐ＼Ｕ｛＾Ｑ）＾ｒｓ邐（２＿0逡逑ｒｓ逡逑式中：－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)％與點(diǎn)Ｑ之間的歐式距離，ｍ；逡逑ｒｓ邋－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)Ａ的感知半徑，ｍ。逡逑（２）概率感知模型逡逑０－１感知模型默認(rèn)在感知區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)都能被準(zhǔn)確的檢測(cè)到，但是該模型逡逑可能會(huì)過(guò)于理想，而在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息的準(zhǔn)確度往往會(huì)受到距逡逑離因素的干擾。通常情況下，在感知范圍內(nèi)，目標(biāo)對(duì)象距離傳感器節(jié)點(diǎn)越近，被逡逑感知到的準(zhǔn)確度越高。反之
在實(shí)際的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的感知范圍通常是不規(guī)則的，而此時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)于目標(biāo)對(duì)逡逑象的感知概率與距離目標(biāo)對(duì)象的距離密切相關(guān)，因此就提出了統(tǒng)計(jì)感知模型，如逡逑圖２．６所示。在統(tǒng)計(jì)模型中，設(shè)置了一個(gè)閾值ｒｅ，當(dāng)在以傳感器節(jié)點(diǎn)為球心，以逡逑為半徑的球體內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)所感知到的信息被認(rèn)為是完全準(zhǔn)確的，即準(zhǔn)確逡逑度為１。而在球心為最大半徑為最小半徑為的空心球內(nèi)，傳感逡逑器節(jié)點(diǎn)感知信息的準(zhǔn)確度會(huì)受到感知衰減系數(shù)影響呈指數(shù)函數(shù)變化。因此，在該逡逑模型中，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠感知到點(diǎn)Ｑ處發(fā)生事件的概率如公式（２－３）所示。逡逑＂0，ｒ５＋ｒｅ逡逑，Ｑ）＝＇邋ｅ￣Ａａ＇邋，ｒｓ－ｒｅ＜ｄ（？；邋，Ｑ）＜ｒｓ＋邋ｒｅ邐（２－３）逡逑ｌｒｓ－ｒｅ＞ｄ（ｎｈＱ）逡逑式中：一－傳感器節(jié)點(diǎn)的感知衰減系數(shù)；逡逑Ｐ－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)的感知衰減系數(shù)；逡逑－１７－逡逑 【相似文獻(xiàn)】
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本文編號(hào)：2833717
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【學(xué)位單位】：沈陽(yáng)理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212.9;TN929.3
【部分圖文】：
通信單元：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸工作，具有無(wú)線通信距離長(zhǎng)、能耗低等特點(diǎn)。逡逑電源部分：作為傳感器節(jié)點(diǎn)最基礎(chǔ)的組成單元，主要的工作是為節(jié)點(diǎn)提供能逡逑量。但是，由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，電源可供給的能量就十分有限，所以在設(shè)計(jì)逡逑網(wǎng)絡(luò)時(shí)要以低能耗、高精度為主要要求，采取一系列措施來(lái)節(jié)約能量。逡逑２．１．２水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分類逡逑針對(duì)不同的海洋環(huán)境及應(yīng)用需求，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被提出了不同的要逡逑求。在分析了多種海洋應(yīng)用后，最早被提出的是二維靜態(tài)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和逡逑三維靜態(tài)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在這兩種體系結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)均不能隨意移動(dòng)，要逡逑么被固定在海底，要么被錨定在水中，只能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)周圍的信息。后來(lái)為了更好逡逑地實(shí)現(xiàn)三維監(jiān)測(cè)，人們?cè)谒聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中加入自主水下航行器ＡＵＶ，組成新的逡逑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中ＡＵＶ?jǐn)y帶ＧＰＳ，可以準(zhǔn)確知道自己的位置信息，并且可逡逑以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求變化調(diào)整自己的位置與運(yùn)動(dòng)速度，但是成本太高，不適合大面逡逑。，這三下網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述。逡逑
逑器節(jié)點(diǎn)％的感知模型為一個(gè)以（Ｘ，，ｘ，ｚ，）為球心，以Ｇ為半徑的球體，也可稱為感逡逑知球，如圖２．５所示。因此對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的某個(gè)對(duì)象位于％的逡逑感知球內(nèi)時(shí)，就認(rèn)為該對(duì)象可以被＇檢測(cè)到。但若位于＇的感知球外時(shí)，則認(rèn)為《，逡逑不能檢測(cè)到這個(gè)對(duì)象。在本文中采用的就是該模型。逡逑圖２．５邋０－１感知模型示意圖逡逑Ｆｉｇ．２．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋０－１邋ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅｌ逡逑設(shè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)Ｑ的坐標(biāo)為那么該點(diǎn)Ｑ到傳感器節(jié)點(diǎn)逡逑的歐式距離為－Ｘ，）２邋＋（＾邋－乃Ｊ２邋－Ｚ，）２。所以傳感器節(jié)點(diǎn)》，能夠感逡逑知到點(diǎn)Ｑ的概率如公式（２－１）所示。逡逑ｐ＼Ｕ｛＾Ｑ）＾ｒｓ邐（２＿0逡逑ｒｓ逡逑式中：－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)％與點(diǎn)Ｑ之間的歐式距離，ｍ；逡逑ｒｓ邋－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)Ａ的感知半徑，ｍ。逡逑（２）概率感知模型逡逑０－１感知模型默認(rèn)在感知區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)都能被準(zhǔn)確的檢測(cè)到，但是該模型逡逑可能會(huì)過(guò)于理想，而在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息的準(zhǔn)確度往往會(huì)受到距逡逑離因素的干擾。通常情況下，在感知范圍內(nèi)，目標(biāo)對(duì)象距離傳感器節(jié)點(diǎn)越近，被逡逑感知到的準(zhǔn)確度越高。反之
在實(shí)際的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的感知范圍通常是不規(guī)則的，而此時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)于目標(biāo)對(duì)逡逑象的感知概率與距離目標(biāo)對(duì)象的距離密切相關(guān)，因此就提出了統(tǒng)計(jì)感知模型，如逡逑圖２．６所示。在統(tǒng)計(jì)模型中，設(shè)置了一個(gè)閾值ｒｅ，當(dāng)在以傳感器節(jié)點(diǎn)為球心，以逡逑為半徑的球體內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)所感知到的信息被認(rèn)為是完全準(zhǔn)確的，即準(zhǔn)確逡逑度為１。而在球心為最大半徑為最小半徑為的空心球內(nèi)，傳感逡逑器節(jié)點(diǎn)感知信息的準(zhǔn)確度會(huì)受到感知衰減系數(shù)影響呈指數(shù)函數(shù)變化。因此，在該逡逑模型中，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠感知到點(diǎn)Ｑ處發(fā)生事件的概率如公式（２－３）所示。逡逑＂0，ｒ５＋ｒｅ逡逑，Ｑ）＝＇邋ｅ￣Ａａ＇邋，ｒｓ－ｒｅ＜ｄ（？；邋，Ｑ）＜ｒｓ＋邋ｒｅ邐（２－３）逡逑ｌｒｓ－ｒｅ＞ｄ（ｎｈＱ）逡逑式中：一－傳感器節(jié)點(diǎn)的感知衰減系數(shù)；逡逑Ｐ－－－－傳感器節(jié)點(diǎn)的感知衰減系數(shù)；逡逑－１７－逡逑
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