面向QoS保障的UWSN拓?fù)淇刂扑惴八|(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著工業(yè)化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐的加快，水污染問題日益凸顯，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）的應(yīng)用背景及技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Underwater Wireless Sensor Network，UWSN）的研究已成為科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。UWSN蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用價(jià)值，其通過隨機(jī)部署在三維監(jiān)測(cè)域的水下傳感器節(jié)點(diǎn)完成信息的采集，并通過節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)。由于水

2、聲通信能耗大、傳輸時(shí)延高、環(huán)境惡劣、水流移動(dòng)性、帶寬窄等突出問題，針對(duì)UWSN相關(guān)算法理論研究是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
　　本文針對(duì)UWSN的環(huán)境特點(diǎn)及問題，從UWSN網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，研究水聲通信的傳播特性，然后在網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，提出了適用于水下環(huán)境的功率控制算法，更進(jìn)一步地，針對(duì)水下多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，提出高效節(jié)能的水下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴?，最后搭建?yīng)用平臺(tái)原型，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的基本功能。主要工作如下:
　　1.針對(duì)水流移動(dòng)性和水下聲波擴(kuò)散

3、特征等問題，提出面向復(fù)雜環(huán)境的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，主要包括MCM(Meandering Current Mobility)節(jié)點(diǎn)受限移動(dòng)模型、端到端時(shí)延模型和能耗模型。其中，MCM節(jié)點(diǎn)受限移動(dòng)模型運(yùn)用海洋動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)，結(jié)合MCM水流模型和節(jié)點(diǎn)錨定方式，提出一種符合實(shí)際應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型。端到端時(shí)延模型綜合考慮移動(dòng)性、聲速方程、多徑傳播及傳輸成功率等因素，計(jì)算多徑時(shí)延差，研究不同環(huán)境因子對(duì)端到端時(shí)延的影響。能耗模型結(jié)合噪聲

4、函數(shù)和傳播損耗函數(shù)，可適用于所有水聲通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)模型綜合考慮水下諸多復(fù)雜環(huán)境因素，適用范圍廣，為UWSN相關(guān)理論研究提供一個(gè)良好的仿真環(huán)境。
　　2.針對(duì)水下聲波通信存在的時(shí)延大、能耗高以及水流移動(dòng)性等問題，提出一種基于非合作博弈論的水下移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法(Non-cooperative Game Theory for Power and Rate Control of UMWSN，UM-NGPR)。該算法采用之前

5、提出的面向復(fù)雜環(huán)境的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，以功率控制和傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo)，并將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為博弈問題，引入信干噪比和傳輸成功率，給出效用函數(shù)，并分別證明功率和傳輸速率的納什均衡存在性和唯一性，最終，利用二元牛頓迭代法求得傳輸功率和傳輸速率的近似最優(yōu)解。
　　3.針對(duì)現(xiàn)有水下聲波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂拼嬖诘木W(wǎng)絡(luò)能耗不均勻、時(shí)延大、傳輸成功率低等問題，提出一種基于多個(gè)QoS目標(biāo)的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴?Ordinal

6、 Potential Game Theory for Topology Control Algorithm of UWSN，OPG-UTCA）。該算法以覆蓋率、連通性、平均能耗、平均端到端時(shí)延和平均傳輸成功率為優(yōu)化目標(biāo)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題映射成博弈問題，構(gòu)建勢(shì)博弈模型，證明其是序數(shù)勢(shì)函數(shù)及納什均衡的存在性，并采用二次博弈。首先所有節(jié)點(diǎn)參與一次博弈，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到納什均衡狀態(tài)后，根據(jù)效用函數(shù)值選擇簇頭，簇頭為簇內(nèi)效用函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)，且簇頭通信范

7、圍內(nèi)無其它簇頭，從而使簇頭在網(wǎng)絡(luò)中分布均勻。由于所有簇頭是互不連通的，因此所有簇頭參與二次博弈過程，建立連通關(guān)系，犧牲少數(shù)簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗以均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。
　　4.以實(shí)際應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在給出總體方案的設(shè)計(jì)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要詳細(xì)介紹水下傳感器節(jié)點(diǎn)和浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，以及基于Android的水質(zhì)監(jiān)測(cè)手機(jī)終端的軟件設(shè)計(jì)。其中，水下傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過水聲換能

8、器將數(shù)據(jù)傳至浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)再將接收的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊/GPRS模塊上傳至阿里云服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫。通過水質(zhì)監(jiān)測(cè)手機(jī)終端訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。
　　本文將上述的算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的算法的有效性，與同類算法相比，在網(wǎng)絡(luò)能耗、端到端時(shí)延、傳輸成功率等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。另一方面，本文還對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在水下環(huán)境中穩(wěn)定工作，利用水聲換能器傳輸數(shù)