水声传感器网络中基于能耗优化的分簇路由研究

作     者：付娟 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯睿

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 能耗优化 分簇路由 粒子群优化算法 

摘      要：水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)作为开发利用海洋资源的水下通信关键技术,逐渐成为无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)领域的研究重点。UASNs是WSNs在水下环境中的部署应用,由若干水声传感器节点以及水面基站(Sink)等设备共同组成。不同于一般陆地部署的WSNs,UASNs利用声信号进行通信,存在传播时延高、可用带宽低、网络能耗高等问题。水声传感器节点的运行和工作通常由自带电源或自身电能储备进行供电,由于其工作环境处于水下,电源更新或电能补充存在一定困难。因此,UASNs的能耗优化问题已经成为该领域的研究重点。UASNs的能耗主要来源于数据的传输,因而优化数据传输路径能够有效降低网络能耗。研究和实践表明,分簇能有效延长网络生命周期。分簇将UASNs中传感器节点分为簇头节点和非簇头节点,其中非簇头节点负责信息的收集并向对应簇头节点发送数据,簇头节点负责将簇内数据汇总并发送给Sink。分簇的方式缩短了非簇头节点的传输距离,利用簇头融合簇内数据减少了数据传输量,有效提高了网络的能量效率。目前基于分簇的路由方法虽一定程度上延长了网络寿命,然而部分节点可能因数据传输任务过重导致能耗过大而失效,引起“热点问题,能耗较高和能耗不均的问题依旧存在。因此,设计一种优化的基于分簇的路由方法对于延长UASNs生命周期、提高UASNs能量利用率有重要意义。为进一步提高UASNs的能耗效率,本文提出了一种基于粒子群优化算法的非均匀分簇方法(Unequal Clustering method based on Particle Swarm Optimization,UCPSO)。UCPSO方法以分簇为基础,根据网络能量消耗和节点剩余能量构造适应值函数,利用粒子群算法进行迭代更新,在不断的迭代过程中,根据适应值选出最优簇头。考虑簇头至Sink节点整条路径能耗以及所需跳数,以确定每个簇头至Sink的最优传输路径。同时,为了平衡簇头的能耗,引入非均匀分簇的思想,根据簇头剩余能量、簇头到Sink节点的距离以及簇头在簇间转发数据的次数动态调节簇的大小,通过均衡簇头节点能耗有效缓解了UASNs的“热点问题,进一步降低了UASNs的能量消耗。利用MATLAB进行仿真实验,通过与LEACH、EULC和IPSO等相关方法进行比较分析,验证了UCPSO方法在降低网络能耗和延长网络生命周期上更有优势。