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水下声学无线传感器网络的部署问题研究
摘 要
随着海洋资源开发的兴起及传感技术在军事领域的应用,水下声学无线传感
器网络(Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks,即UA-WSNs ,以下简称
为水下传感器网络)成为一个新的研究热点,其广阔的应用前景引起了学术界的
高度重视。水下传感器网络与传统非水下无线传感器网络在部署环境、传输方式、
应用需求等诸多方面有着很大的不同,以往的研究成果和设计方法并不适用于水
下环境。水下传感器网络主要部署在水下,网络需要多种设备来维持网络的工作
状态,并且还需要将获取的水下监测信息发送给最终用户—一般都处于非水下环
境。这就使异质结构成为水下传感器网络的必然选择。此外,由于水下传感器网
络的工作环境恶劣,网络设备需要考虑防水性等额外的设计因素,成本问题就成
为影响水下传感器网络应用的一个关键因素。
本文将针对水下环境的特点,针对一种典型网络拓扑结构研究水下传感器网
络的部署问题。首先研究现存的水下传感器网络的各种拓扑结构,然后针对某一
种特定的网络拓扑结构,研究位置受限的水面网关放置部署问题。网络的部署问
题是水下传感器网络的基本问题:针对某种特定的网络拓扑结构,如何优化网络
设备的部署,对提高网络性能、降低网络部署成本、延长网络寿命具有重要意义。
本文的基本内容分为三大部分:
第一部分从总体上研究综述了水下传感器网络的总体技术,介绍了几种典型
的网络拓扑结构以及典型应用,力图能从总体上对水下传感器网络技术及其应用
有较为深入的认识。
第二部分将在第一部分的学习基础上,针对某一种典型的水下传感器网络拓
扑结构,研究水下传感器网络中位置受限的水面网关放置部署问题。主要的研究
点包括:(1) 位置受限的连通性水面网关部署问题;(2) 位置受限的容错性水面
网关部署问题。这两个问题的优化目标是如何在一些给定的参考位置上放置最少
的水面网关,以使整个网络具有连通性和容错性。上述两个问题都是在放置位置
受限的前提下考虑的优化问题,即认为水面网关并不是可以随意放置到任意位
置,而是只能放置到一些勘测设计好的参考位置上。
第三部分针对第二部分提出的算法,将实现相关算法并通过实验模拟加以比
较,并对算法的优化性能进行评估和分析。仿真实验的结果不仅验证了本文提出
算法的正确性和有效性,而且还可以为真实的网络应用提供一定的参考价值。
最后对本文的研究内容进行了总结,指出了本文的研究出发点和最终取得的
研究成果。不敢大言具有重要意义,但对水下传感器网络中这一类的问题的研究
水下声学无线传感器网络的部署问题研究
提供了良好的参考。此外,最后还对水下传感器网络中的放置部署问题的意义做
了阐述,并提出了将来需要解决的问题和一些其他问题。
关键词:水下声学无线传感器网络;拓扑结构;水面网关;放置问题;近似
算法
水下声学无线传感器网络的部署问题研究
Abstract
Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks (UA-WSNs) have attracted a
great deal of research attention due to their wide-range of potential applications
including emergency rescue, disaster relief, battlefield surveillance, environmental
monitoring, health applications, and so on. UA-WSNs consist of sensors that are
deployed to perform collaborative monitoring tasks over a given region. Underwater
monitoring missions can be extremely expensive due to
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