水下三維無線傳感器算法改進(jìn)

鄧向軍

摘要：在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速的今天，水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點(diǎn)領(lǐng)域 ，設(shè)計(jì)出一種適用于水下三維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由能夠加速生產(chǎn)力，并且為環(huán)保做出貢獻(xiàn)。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(wǎng)，協(xié)同執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的靜態(tài)或動態(tài)水下傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個三維水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。作用范圍包括包括海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集，海水污染監(jiān)測，海洋災(zāi)害預(yù)警，船舶導(dǎo)航，水下武器的防御。

關(guān)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(shù)的發(fā)展，由大量具有感知能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸成為理工科研究的熱點(diǎn)問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks， WSN）是一種涉及多個學(xué)科，知識高度集中的技術(shù)。WSNs是多個具有感知能力，計(jì)算能力和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自我的組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，同時也是一種與應(yīng)用相關(guān)的新型無線網(wǎng)絡(luò)，與常見的其他無線網(wǎng)絡(luò)，例如蜂窩移動電話網(wǎng)，無線自組網(wǎng)等相比，與無線自組網(wǎng)最為相似，都采用分布式的無線通信方式，無固定基礎(chǔ)設(shè)施的多跳路由，能適應(yīng)拓?fù)鋭討B(tài)變化。三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指傳感器節(jié)點(diǎn)分布在三維立體空間，網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域高度相對于長度和寬度而言不可忽視的傳感器網(wǎng)絡(luò)，相對于二維角度，三維空間的無錢傳感器網(wǎng)絡(luò)更適合于現(xiàn)實(shí)世界的仿真，故在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用前景廣泛。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及標(biāo)志這一個信息技術(shù)時代的來臨，網(wǎng)絡(luò)越來越多的融入日常生活，與人們的生活息息相關(guān)，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)技術(shù)因此得到廣泛的研究和發(fā)展，經(jīng)過大多數(shù)專家學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是這個轉(zhuǎn)變的橋梁，致使 WSN 的研究涉及到了各個領(lǐng)域，成為全球化的關(guān)注焦點(diǎn)。 美國國防部大力支持了麻省理工學(xué)院、奧本大學(xué)、賓漢頓大學(xué)、立克利夫蘭大學(xué)等國內(nèi)高校致力于研究 WSN 的核心科技。研究的主要內(nèi)容就包括了低功耗的WSN，自組織的WSN等等技術(shù)，其中， Crossbow 公司較為領(lǐng)先的利用 WSN 技術(shù)研制出多種試用產(chǎn)品發(fā)行于市場，這些產(chǎn)品成為全球各大高校，研究機(jī)構(gòu)以及公司的相關(guān)人員從事無線傳感器領(lǐng)域研究的技術(shù)保證。同時段中，Microsoft、Intel 等知名 IT 企業(yè)與合作到無線傳感器的研究中，再結(jié)合上德州儀器、微處理器制造公司、Atmel、ZTE 等也參與進(jìn)來，致使以無線傳感器技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)研究工作的隊(duì)伍越來越龐大。而隨著中國的崛起，伴隨信息時代的飛速發(fā)展，我國的物聯(lián)網(wǎng)科技也在快速發(fā)展之中，國內(nèi)研究人員在空間的 無線傳感器這一方面重點(diǎn)落在節(jié)點(diǎn)的分簇優(yōu)化問題和降低能耗的問題上，如南京郵電大學(xué)、香港科技大學(xué)等高校，其研發(fā)出的 Ubi Cell-MUbi Cell-M 傳感器以及基于Telos-B 平臺開發(fā)，在提高節(jié)點(diǎn)自身具備高像素和圖像獲取及處理能力方面，已經(jīng)完全達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與識別的要求，并研發(fā)出了低功耗 WSN 節(jié)點(diǎn)。

伴隨二維模型中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成熟，更加仿真現(xiàn)實(shí)世界的三維空間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在走向主流。相對于二維平面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，三維空間更加復(fù)雜，路由算法的研究成為三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。

結(jié)合當(dāng)前的研究，從不同領(lǐng)域不同角度提出了多種適用于三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究方法。國內(nèi)外關(guān)于三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要是在經(jīng)典算法的改進(jìn)，局部最小，空間環(huán)路，負(fù)載均衡和節(jié)能五個方面。

二、國內(nèi)外算法的提出

1，貪婪算法（GFO）經(jīng)典無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的改進(jìn)。

通過分析節(jié)點(diǎn)的臨界傳輸半徑CTR并結(jié)合GR算法，提出3DERGrd算法，找到最優(yōu)路徑。

2，環(huán)路問題，提出了包含角度迭代的路由算法。（3DIAIR）。

3，節(jié)能問題，F(xiàn)evens等人先后提出了PAGH，PAGO和PAGU可調(diào)傳輸半徑能量感知算法。通過研究證明新算法的數(shù)據(jù)投遞率明顯提高，并且降低了稀疏網(wǎng)絡(luò)中Local Minimum現(xiàn)象對數(shù)據(jù)投遞的影響。

4，負(fù)載問題，研究領(lǐng)域提出了CSR弧線航行路由算法，該算法將空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按一定數(shù)學(xué)計(jì)算映射到球體上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)計(jì)算球面面積，從而建立數(shù)據(jù)傳輸路徑，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵，均衡負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

5，三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)中局部最小問題。A.L Ananda等人提出了SCR（Spherical Coordinate Routing）三維求坐標(biāo)路由算法。

三、算法改進(jìn)

為了適應(yīng)三維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由。優(yōu)化能量的消耗，提出一種基于LEACH算法的優(yōu)化算法。在三維無線傳感器中，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)假設(shè)有相同的參數(shù)設(shè)置，在算法選取上，明顯提高網(wǎng)絡(luò)均衡性，提高能量有效性，延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。由于是在二維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)算法中LEACH分簇算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，所以從能量和最優(yōu)距離兩個角度，采用輾轉(zhuǎn)分裂分簇算法（ISCA）實(shí)現(xiàn)合理分簇。根據(jù)坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和初始能量信息，將所有節(jié)點(diǎn)分為兩個簇，基于最優(yōu)簇頭理論來保證網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，并選出簇頭，減少環(huán)路的產(chǎn)生，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。

使網(wǎng)節(jié)點(diǎn)更充分的發(fā)揮了在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的作用，也使網(wǎng)絡(luò)資源利用率明顯提高，實(shí)現(xiàn)了算法的優(yōu)化，降低能耗。

四、總結(jié)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速的今天，水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點(diǎn)領(lǐng)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(wǎng)，協(xié)同執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的靜態(tài)或動態(tài)水下傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個三維水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)能夠在很多關(guān)鍵性領(lǐng)域起到重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉華峰.傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)浣M織及分簇算法研究[D]，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007

[2]彭力，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]，無錫，冶金工業(yè)出版社2010

[3]李善倉，張克旺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用北京[M]：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：1-11

[4]任豐原，黃海寧，林闖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，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.