水声传感器网络中基于虚拟引力势场的路由算法研究

作     者：邹宝莹 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张文波

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 082403[工学-水声工程] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水声传感器网络 非均匀分簇算法 虚拟引力势场 势能 路由算法 

摘      要：水声传感器网络（Underwater acoustic sensor network,UASN）作为水下物联网感知层的重要组成部分,在海洋工程监测、开发海洋资源、预防自然灾害等多个领域具有广阔的应用前景。UASN在实际应用中需要部署大量节点,并且需要节点间高效的信息交互,协同完成具体任务。因此面向UASN的分簇、路由技术成为学术界研究的热点。水声信道长时延、窄带宽、高误码率等特点,使得传统的传感器网络分簇、路由无法直接应用于水下环境。因此针对水声传感器网络展开研究,设计适应水声传感器网络特点的分簇、路由算法具有十分重要的现实意义。本文针对大规模水声传感器网络中节点分布不均匀产生能耗快、负载严重,网络能耗不均的问题,设计了一种基于节点密度非均匀分簇算法（Nonuniform clustering algorithm based on node density,NCAD）。该算法是根据节点密度的不同而分割成不同的簇。首先,结合节点的剩余能量与历史传输成功率设计了一种选举候选簇首节点的阈值函数;其次,候选簇首节点计算出覆盖范围的边长,进而确定通信范围,并在所覆盖的通信范围内进行簇首的选举,并划分簇群;要加入簇的簇内节点会与簇首节点发送信息确认,提高节点入簇成功性。仿真结果表明,与传统的分簇算法相比,本文设计的基于节点密度非均匀分簇算法可以更有效的提升网络寿命和减少网络能耗。本文在簇首节点组成的骨干网络的路由中以可靠性、节能为目标,提出了一种基于虚拟引力势场的路由选择算法（Nonuniform clustering Routing algorithm for virtual gravitational potential field,NC＿RVGPF）。首先,建立三维水下节点传输数据的虚拟引力势场模型;其次,结合节点的传输距离、节点剩余能量等参数设计了虚拟引力势能,通过计算每个中继节点的势能大小,选择出一条平均势能最大的路径为最优路径,用来传输数据,实现链路可靠传输、减少网络整体能耗、提高网络传输质量。仿真结果表明,与经典的适用于水下的路由算法相比,NC＿RVGPF能够使网络中节点间的数据传输率更高、能耗更少,能够更有效的延长网络生命周期。