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水下传感器网络覆盖控制方法研究

作　者: 阮斌锋
导　师: 蒋鹏
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 水下传感器网络感知覆盖全覆盖覆盖保持移动节点路由
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着世界各国对海洋资源的日益重视和海洋经济浪潮的兴起，水下传感器网络的研究已经成为了传感器网络系统中的一个研究热点。为了使水下传感器网络能够更好完成目标监测和信息获取的任务，必须保证传感器节点更有效地覆盖监测区域。因此，水下传感器网络采用具体的节点部署策略和覆盖控制方法是水下传感器网络中一个基本且首要亟待解决的问题，直接关系到传感器网络的节点能量、通信带宽、计算处理能力等受限资源的优化配置，一定程度上影响了水下传感器网络的感知、监视、通信等各种服务质量目标。为此，本文从网络初始部署达到k覆盖度以及网络运行期间的覆盖性能的保持两种角度对水下传感器网络覆盖控制方法展开研究，主要工作如下：(1)提出一种基于概率感知模型的水下移动传感器网络部署方法(Probabilistic Sensingbased Deployment Scheme, PSDS方法)。基于概率感知模型，提出一种综合节点部署和节点分派的解决方案，前者用迭代的贪婪策略确定传感器节点在监测区域中的位置，每一步迭代完成一个节点的部署，直到网络以k覆盖度实现全覆盖或部署的节点已达到预设的上限时算法停止。仿真结果表明，相对于k覆盖度随机和均匀部署方法，本文提出的部署方法在实现全覆盖时所需的节点数量更少。对第二个问题，应尽量减少节点由于移动而产生的能量耗损，本文提出集中式分派策略、分布式分派策略以及随机分派策略，并分析、比较它们的性能。(2)首先提出了一种水下传感器网络单跳覆盖保持路由算法(Single-hopCoverage-preserving Routing Algorithm, SCPR算法)。该算法首先定义了覆盖冗余度，并根据该度量来选择簇首，最终以单跳方式直接将数据传送至Sink节点。为保证簇首能量的均衡并获得更好的网络覆盖率，本文还提出一种多跳覆盖保持路由算法(Multi-hopCoverage-preserving Routing Algorithm, MCPR算法)，在簇首之间通信时，簇首优先考虑父节点中CR高的簇首作为其下一跳路由，最终以多跳路由将数据传送至Sink节点。仿真结果表明，SCPR、MCPR算法与LEACH-Coverage-U算法相比，弥补了其选择簇首时的随机性的弊端，提高了网络的覆盖率，延长了网络的生存期。(3)提出一种全覆盖需求的水下传感器网络覆盖保持算法(Full-coverage requiredCoverage-preserving Algorithm, FCCP算法)。首先，通过构建覆盖集的方法选举根节点，覆盖集的每个元素根据覆盖需求部分或完全覆盖该节点的感知区域；然后，使网络中的冗余节点休眠，节点选择其覆盖冗余度最高的父节点作为下一跳节点，形成树形路由；最后，节点通过多跳方式将采集的数据发送至Sink节点。与以全覆盖为目标的能量感知覆盖保持分层式路由协议（ECHR算法）相比，FCCP算法减少了网络能耗，延长了实现全覆盖的网络生存期。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-25
  1.1 水下传感器网络覆盖控制方法研究的目的与意义  10-11
  1.2 水下传感器网络覆盖控制方法的研究现状  11-14
    1.2.1 水下传感器网络面临的挑战  11-13
    1.2.2 水下传感器网络的覆盖控制方法评价指标  13-14
  1.3 基于不同架构的水下传感器网络覆盖控制方法概述  14-22
    1.3.1 静态节点架构  14-18
    1.3.2 移动节点架构  18-20
    1.3.3 自由漂流节点架构  20-22
  1.4 水下传感器网络覆盖控制方法的发展趋势  22-23
  1.5 本文的创新点  23-24
  1.6 本文的章节安排  24-25
第2章基于概率感知模型的水下移动传感器网络部署方法  25-44
  2.1 引言  25-27
  2.2 三维水下传感器网络模型  27-29
    2.2.1 三维水下传感器网络体系结构  27-28
    2.2.2 传感器节点感知模型  28-29
  2.3 节点部署问题  29-34
    2.3.1 相关定义  29-30
    2.3.2 部署方法介绍  30-31
    2.3.3 网络连通率分析  31-34
  2.4 传感器节点分派方法  34-38
    2.4.1 集中式分派策略  34-35
    2.4.2 分布式分派策略  35-38
  2.5 算法仿真与性能分析  38-43
  2.6 结语  43-44
第3章基于分簇的水下传感器网络覆盖保持路由算法  44-61
  3.1 引言  44-46
  3.2 水下传感器网络模型和能量消耗模型  46-47
    3.2.1 水下传感器网络模型  46-47
    3.2.2 能量消耗模型  47
  3.3 SCPR与MCPR算法描述  47-55
    3.3.1 相关定义  47-48
    3.3.2 问题描述  48-50
    3.3.3 SCPR与MCPR算法流程  50-55
  3.4 算法仿真与性能分析  55-59
    3.4.1 仿真场景及其参数  55-56
    3.4.2 仿真算例  56-59
  3.5 结语  59-61
第4章全覆盖需求的水下传感器网络覆盖保持算法  61-73
  4.1 引言  61-63
  4.2 网络模型与基本概念  63
    4.2.1 网络模型  63
    4.2.2 基本概念  63
  4.3 FCCP算法详细介绍  63-68
    4.3.1 根节点选举  63-66
    4.3.2 节点自调度策略  66-67
    4.3.3 多跳路由方法  67-68
  4.4 算法仿真和性能分析  68-72
    4.4.1 仿真场景及其参数  68-69
    4.4.2 仿真算例  69-72
  4.5 结语  72-73
第5章总结与展望  73-75
  5.1 总结  73-74
  5.2 展望  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-82
附录  82

水下传感器网络覆盖控制方法研究

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