水下三維無線傳感器算法改進

鄧向軍

摘要：在網絡技術發展迅速的今天，水下三維傳感器網絡是當前三維無線傳感器網絡研究的一個熱點領域 ，設計出一種適用于水下三維空間的無線傳感器網絡路由能夠加速生產力，并且為環保做出貢獻。利用水下三維無線傳感器，部署在不同深度的水體中，基于通信鏈路，組網，協同執行監視任務的靜態或動態水下傳感器節點組成的一個三維水下無線傳感器網絡。作用范圍包括包括海洋環境數據采集，海水污染監測，海洋災害預警，船舶導航，水下武器的防御。

關鍵詞：水下；三維；無線傳感器；路由

隨著無線通信，電子與傳感技術的發展，由大量具有感知能力的微型傳感器節點組成的無線傳感器網絡逐漸成為理工科研究的熱點問題。無線傳感器網絡技術（Wireless Sensor Networks， WSN）是一種涉及多個學科，知識高度集中的技術。WSNs是多個具有感知能力，計算能力和通信能力的傳感器節點通過自我的組織構成的網絡，同時也是一種與應用相關的新型無線網絡，與常見的其他無線網絡，例如蜂窩移動電話網，無線自組網等相比，與無線自組網最為相似，都采用分布式的無線通信方式，無固定基礎設施的多跳路由，能適應拓撲動態變化。三維無線傳感器網絡是指傳感器節點分布在三維立體空間，網絡部署區域高度相對于長度和寬度而言不可忽視的傳感器網絡，相對于二維角度，三維空間的無錢傳感器網絡更適合于現實世界的仿真，故在現實世界中的應用前景廣泛。

一、國內外研究現狀

計算機網絡技術的發展和普及標志這一個信息技術時代的來臨，網絡越來越多的融入日常生活，與人們的生活息息相關，關于網絡的計算機技術因此得到廣泛的研究和發展，經過大多數專家學者的研究發現，無線傳感器網絡將是這個轉變的橋梁，致使 WSN 的研究涉及到了各個領域，成為全球化的關注焦點。 美國國防部大力支持了麻省理工學院、奧本大學、賓漢頓大學、立克利夫蘭大學等國內高校致力于研究 WSN 的核心科技。研究的主要內容就包括了低功耗的WSN，自組織的WSN等等技術，其中， Crossbow 公司較為領先的利用 WSN 技術研制出多種試用產品發行于市場，這些產品成為全球各大高校，研究機構以及公司的相關人員從事無線傳感器領域研究的技術保證。同時段中，Microsoft、Intel 等知名 IT 企業與合作到無線傳感器的研究中，再結合上德州儀器、微處理器制造公司、Atmel、ZTE 等也參與進來，致使以無線傳感器技術為核心的物聯網研究工作的隊伍越來越龐大。而隨著中國的崛起，伴隨信息時代的飛速發展，我國的物聯網科技也在快速發展之中，國內研究人員在空間的 無線傳感器這一方面重點落在節點的分簇優化問題和降低能耗的問題上，如南京郵電大學、香港科技大學等高校，其研發出的 Ubi Cell-MUbi Cell-M 傳感器以及基于Telos-B 平臺開發，在提高節點自身具備高像素和圖像獲取及處理能力方面，已經完全達到了網絡監控與識別的要求，并研發出了低功耗 WSN 節點。

伴隨二維模型中無線傳感器網絡的成熟，更加仿真現實世界的三維空間無線傳感器網絡正在走向主流。相對于二維平面的無線傳感器網絡，三維空間更加復雜，路由算法的研究成為三維無線傳感器網絡研究的熱點。

結合當前的研究，從不同領域不同角度提出了多種適用于三維無線傳感器網絡研究方法。國內外關于三維無線傳感器網絡的研究主要是在經典算法的改進，局部最小，空間環路，負載均衡和節能五個方面。

二、國內外算法的提出

1，貪婪算法（GFO）經典無線傳感器網絡路由算法的改進。

通過分析節點的臨界傳輸半徑CTR并結合GR算法，提出3DERGrd算法，找到最優路徑。

2，環路問題，提出了包含角度迭代的路由算法。（3DIAIR）。

3，節能問題，Fevens等人先后提出了PAGH，PAGO和PAGU可調傳輸半徑能量感知算法。通過研究證明新算法的數據投遞率明顯提高，并且降低了稀疏網絡中Local Minimum現象對數據投遞的影響。

4，負載問題，研究領域提出了CSR弧線航行路由算法，該算法將空間網絡節點按一定數學計算映射到球體上，根據節點虛擬坐標計算球面面積，從而建立數據傳輸路徑，減少網絡擁堵，均衡負載，延長網絡生存時間。

5，三維無線傳感器網絡路由設計中局部最小問題。A.L Ananda等人提出了SCR（Spherical Coordinate Routing）三維求坐標路由算法。

三、算法改進

為了適應三維空間的無線傳感器網絡路由。優化能量的消耗，提出一種基于LEACH算法的優化算法。在三維無線傳感器中，所有的傳感器節點假設有相同的參數設置，在算法選取上，明顯提高網絡均衡性，提高能量有效性，延長傳感器網絡生命周期。由于是在二維無線傳感器網絡算法中LEACH分簇算法的基礎上加以改進，所以從能量和最優距離兩個角度，采用輾轉分裂分簇算法（ISCA）實現合理分簇。根據坐標節點的位置和初始能量信息，將所有節點分為兩個簇，基于最優簇頭理論來保證網絡能耗的最低，然后在固定簇頭的思想上，減少頻繁建簇，綜合考慮剩余能量和三維空間中節點坐標信息，并選出簇頭，減少環路的產生，均衡網絡能耗。

使網節點更充分的發揮了在拓撲結構中的作用，也使網絡資源利用率明顯提高，實現了算法的優化，降低能耗。

四、總結

在網絡技術發展迅速的今天，水下三維傳感器網絡是當前三維無線傳感器網絡研究的一個熱點領域 ，利用水下三維無線傳感器，部署在不同深度的水體中，基于通信鏈路，組網，協同執行監視任務的靜態或動態水下傳感器節點組成的一個三維水下無線傳感器網絡。技術能夠在很多關鍵性領域起到重要的作用。

參考文獻：

[1]劉華峰.傳感器網絡三維拓撲組織及分簇算法研究[D]，國防科學技術大學，2007

[2]彭力，無線傳感器網絡[M]，無錫，冶金工業出版社2010

[3]李善倉，張克旺無線傳感器網絡原理與應用北京[M]：機械工業出版社，2008：1-11

[4]任豐原，黃海寧，林闖無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003，14（2）；1148-1157.

[5]Akyildiz I F，Kasimoglu I H.Wireless Sensor and Actor Networks：Research Challenges[j].Ad Hoc Networks Journal （Elsevier），2004，2（4）：351-367.

[6]Heinzelman W R，Kulik J，Balakrishnan H.Adaptive Protocols for Information Dissenination in Wireless Sensor Networks[C].In Proceedings of the 5th ACM/IEEE Mobicom，New York，USA，1999：174-185.