关键字 |
| 水下无线传感器网络，路由，mobicast协议，能源 |
介绍 |
| 在水下传感器网络中，任意数量的传感器在地理上分布在给定区域的海底，以协同收集数据并将数据传递到一个集中的接收器。这种网络用于对时间敏感的应用，如防灾、海岸线保护等，也用于对时间不敏感的应用，如监测栖息地数量、海洋温度和二氧化碳水平。这些传感器由电池供电。由于部署后不容易接近，充电或更换电池很困难。因此，最小化协议栈中所有层的能源使用对于这样的网络至关重要。 |
| 水下传感器网络与地面无线传感器网络有很多不同之处。水下传感器网络由一组浮动的传感器节点组成，而在传感器网络中传感器节点是静态的。由于洋流的影响，水下传感器网络的拓扑结构会发生变化。无线传感器网络拓扑结构稳定。与无线传感器网络相比，水下传感器网络的传播时延更大。水下传感器网络部署在三维平面下，无线传感器网络部署在二维平面上。 |
| 用于监测海水环境参数的水下传感器网络。差分全球定位系统(DGPS)是对全球定位系统的改进，提供了更高的定位精度。由船舶或自动水下航行器控制的远程操作车辆，可以根据给定的一组规则或指令自主导航到深水。传感器、锚和ROV/AUV从海底收集信息并向作业船报告。在水下传感器网络中，将传感数据直接传输到海面控制站的路由路径较长，由于孔的存在，传感数据往往不准确。为了提高传感数据的准确性，使用了AUV。AUV沿着预定的路径行进，从传感器节点收集数据并向控制站报告。自主水下航行器依赖于当地情报。它不太依赖于来自网络的交流。AUV控制策略(自主协调障碍预防)。 |
| 在无线传感器网络中，研究了一种新的多播通信模式——时空多播或mobicast。mobicast是一种基于移动性的路由协议，可以提高吞吐量和效率。在此过程中，自主水下航行器在第一步中从3D参考区域内的节点收集信息。在此之后，它们会唤醒下一个3D区域中的传感器节点，以避免拓扑漏洞。在水下传感器网络中，传感器节点是不稳定的。它们会随着海浪和洋流移动和改变位置。来自这些传感器的信息不被AUV收集，导致传感数据不准确。这一问题称为空穴问题，可以根据传感器节点的速度和当前位置扩大区域来克服。 |
相关工作 |
| 水下无线传感器网络(UWSNs)由部署在水下环境中的传感器节点组成，能够监测周围环境。传感器节点是一种以电池形式储存能量有限、内存有限的小型设备。传感器节点的主要工作是感知周围环境的数据，分别通过传感单元和处理单元对这些数据进行处理，并通过动力单元对这些过程和单元耗散的能量进行管理。mobicast的一个时空特征是将消息转发给转发区域内t时刻出现的所有节点。yuh - shyan Chen .[1]提出了一种mobicast路由协议，用于避免空洞问题。在本文中，AUV指定了一个地理区域，称为3-D相关区(3-D ZOR)，用于收集位于3-D ZOR中的所有传感器节点的传感数据。AUV在不同的时间间隔内构造了一系列三维ZORs，必须唤醒并将感知到的数据发送给AUV。为了节省电力并将感知到的数据发送给AUV，必须唤醒三维ZOR中的传感器节点并保持活动模式以等待AUV的到来。Stefano Basagni等人[1]在水下无线传感器网络中提出了一篇最大化感知信息价值的论文。提出了一种自动水下机器人寻路的数学模型和分布式启发式算法，用于自动水下机器人从水下传感器网络节点收集衰减数据。启发式驱动AUV访问贪婪地最大化发送到接收器的数据的信息值的节点。我们的ILP模型考虑了现实的数据通信速率、距离和表面约束。Yassin等[2]提出了一篇论文，探讨了水声传感器网络路由的延迟约束能量优化。 Specifically it propose an offline Mixed Integer Linear Programming based routing algorithm that enables computation of delay constrained energy efficient routes. This does not include TDMA schedule computation based on the optimal route-set and the investigation of a Decentralized algorithm to solve the delay-constrained energy optimization problem. Zhong Zhou et al.[3] proposed a Efficient Multipath Communication for Time-Critical Applications in Underwater Acoustic Sensor Networks. This paper, propose a new scheme, called multipath power-control transmission (MPT), for time-critical applications in underwater sensor networks. It combines power control with multipath routing and packet combining at the destination. Cruz et al[4] proposed Implementation of an Underwater Acoustic Network using Multiple Heterogeneous Vehicles. This paper describe the implementation of an underwater acoustic network to support the operation of heterogeneous systems, including AUVs, ASVs, and more devices. It does not consider about the issues of underwater sensor networks which includes energy efficiency ,propagation delay and ocean current. Pu wang et al.[5]. |
| 提出了提高水下传感器网络头部节点可靠性的方法。用于头节点的检查点方案，可快速从头节点故障中恢复。实验结果表明，与无检查点方案相比，该方案提高了网络的可靠性，在能量消耗和恢复延迟方面都有了更高的效率。如果两个节点之间存在通信错误，则会出现此问题。所有节点都是固定的(即，本文不考虑节点的移动性)故障率(λ)是基于泊松分布。Sanjay et al.[6]提出了一种在usn中带有空洞检测的二维地播路由协议，以提供目标区域内的数据传播。源节点使用贪婪转发技术将数据传递到目标区域。当数据传送到目标区域时，第一个接收到数据的节点作为根，构造目标区域的组播树。但三维usn的路径、目标区域和孔洞是多种多样的，需要进一步研究。Walker等[7]提出了一种水下环境下的可变解决方案，一个行进的AUV在USN中漫游，从这些传感器节点收集传感数据，然后AUV将收集到的数据上传到基站。 Walker shows the AUV is feasible and useful to distributed collect data in the UW environment. |
方法 |
| 在现有的工作中，传感器节点是随机部署在海洋中。传感器节点可能会被洋流漂移。我们假设每个传感器节点都可以通过无距离定位技术知道自己的位置 |
无测距定位技术 |
| 与基于距离的定位技术相比，无距离定位技术简单。这些是基于跳数的方案。它首先采用经典的距离向量交换，使网络中的所有节点都获得以跳数为单位的距离。每个节点维护一个表，只与邻居交换更新。 |
基本思想 |
| 我们的mobicast协议使AUV能够从这些传感器节点收集感知数据，这些传感器节点通常处于睡眠模式，以节省3-D USN的电量;同时，还考虑了空穴问题和洋流效应。为了成功收集感知到的数据，AUV在时间t时发送mobicast消息，以唤醒将在时间t+1出现在ZOR3t+1内的所有传感器节点。为了克服漏洞问题并唤醒ZOR3t+1内的所有传感器节点，使用ZOF3t+1覆盖潜在的3-D漏洞并发现mobicast消息传递的路由路径。 |
Mobicast路由协议 |
| 在本节中，我们将描述AUV如何使用mobicast协议从传感器节点收集感知数据。我们的mobicast协议分为三个阶段，3-D ZORt启动阶段，3-D ZOFt+1创建阶段，3-D ZORt+1收集阶段。 |
三维ZORt起始阶段 |
| 位于zor3t内的传感器节点将感知到的数据发送给AUV。为了收集USN中所有传感器节点的传感器数据，AUV需要在不同时间t连续创建一系列ZORt。 |
3-D ZOFt+1创建阶段 |
| 为了唤醒位于ZOR3t+1中的传感器节点，需要在时间t创建ZOF3t+1。ZOF3t+1中的传感器节点应该发送mobicast消息来唤醒那些将出现在ZOR3t+1中的传感器节点。为了提高成功传递率，ZOF3t+1被划分为m个相同的段，每个段可以根据网络密度和洋流速度自适应扩展，使用更多的传感器节点进行mobicast消息传递。 |
三维ZORt+1采集阶段 |
| 在ZOR3t+1内的所有传感器节点被唤醒后，AUV可以在第t+1时刻收集ZOR3t+1内所有传感器节点的传感数据。 |
系统模型 |
| 传感器节点随机部署在水下传感器网络中。控制站应收集所有部署在水下的传感器的传感数据。传感器与控制站之间的直接通信需要很长的路由路径，导致传感数据不准确。自主水下航行器用于从水下传感器收集数据。AUV被规定了一个预先定义的路径。自动水下航行器在经过预定路径时形成一系列连续的区域。由于传感器使用有限的电池电量，只有当前区域的传感器应该被唤醒，所有其他传感器都处于睡眠模式。 |
| 在现有的系统中，两个连续区域的交集区域的传感器被用来唤醒下一个区域的传感器。由于水下传感器的位置变化，可能会有更多的节点相交区域。这将导致唤醒过程消耗更多的能量，并导致冗余信息。 |
| 在我们提出的工作中，传感器节点应定期共享其位置和能级。在能量的基础上，选择能量等级较高的节点作为各区域的头节点。头节点应该始终处于唤醒模式。该节点用于唤醒该区域中的传感器。这降低了能量消耗和消息开销。 |
框架 |
水区形成(模型创建) |
| 在该模块中，传感器节点部署在水下环境中。其中一个节点作为AUV。每个传感器节点都有一个位置和唯一的ID。传感器节点应该定期与它们的邻居共享它们的位置和ID |
Swarm(移动的群体)创建 |
| 在这个模块中，传感器节点根据其位置分组为集群。自动水下机器人应沿着预定的路径航行，从传感器收集信息并将结果报告给控制站。只有当前区域的传感器应该被唤醒，所有其他传感器都处于睡眠模式。传感器节点被唤醒为两个区域相交区域的节点。水下机器人不应该等待传感器醒来，因为它在持续移动。当AUV在t区域时，t+1区域的节点被唤醒，等待AUV的到来。AUV应将所有传感器信息的结果报告给控制站。 |
ZONET阶段(区域扩展) |
| 在该模块中，区域根据传感器节点的漂移速度进行扩展。传感器在水下传感器网络中的位置不是静止的。由于洋流的作用，位置发生了变化。在这种情况下，可能会出现漏洞问题，其中一些传感器的信息被AUV错过，从而导致不准确的传感数据。为了避免基于传感器节点的位置和速度的孔问题，区域以这样一种方式扩展，它应该覆盖该区域中的所有传感器。 |
时空的路由 |
| 在这个模块中，每个区域都选出一个动态头节点，每个区域中的节点定期地与邻居共享它们的位置、ID和能量级别。根据能量等级，选择能量等级最高的节点作为头节点。AUV首先向第一个区域的头部节点发送唤醒消息。唤醒该区域的传感器后，头节点将唤醒消息发送到下一个区域的头节点。这一过程不断重复，直到AUV从其路径上所有区域的传感器收集到信息。 |
绩效评估 |
| 对蜂群创建和时空路由的性能进行了评估。性能是根据能量、消息开销和吞吐量来评估的。 |
结论 |
| 为了降低水下传感器网络中传感器节点的能量消耗，采用了节能的mobicast协议。传感器的有限能量和洋流是水下传感器网络的主要问题。在这里，自动水下航行器用于从部署在水下的传感器收集数据。所提出的工作动态地选择一个能量最高的头节点来唤醒下一个区域的传感器。它减少了用于唤醒进程的消息数量。为了减少能量消耗，水下传感器将在自动航行器通过特定区域后进入睡眠状态。通过扩展基于漂移速度和传感器节点当前位置的自适应段，克服了由于洋流效应造成的空穴问题。性能是根据能量、分组交付比和吞吐量来评估的。 |
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数字一览 |
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| 图1 |
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参考文献 |
- 安东尼奥·桑切斯，萨拉布兰克，佩德罗·尤斯特，安格尔·珀莱斯和胡安·何塞·塞拉诺。一种超低功耗、灵活的声学调制解调器设计，开发高效节能的水下传感器网络2012年4月3日。
- Hong Min 1, Yookun Cho 1, JunyoungHeo 2，“提高水下传感器网络中头部节点的可靠性”。， issn 1424-8220。传感器杂志。
- A. A. Cruz, B. M. Ferreira, A. C. Matos, C. Petrioli, R. Petroccia和D. Spaccini，“基于多异构载具的水声网络的实现”，IEEE海洋工程学会，10月14-19 2012。
- PoongovanPonnavaikko, Kamal Yassin, Sarah Kate Wilson, MilicaStojanovic, JoAnne Holliday，“基于延迟约束的水声网络能量优化”，IEEE 2013。
- Sangho Lee和Kiseonkim。《水声传感器网络中移动信标的定位》，2012年3月21日。
- Stefano Basagni, PetrikaGjanci, Chiara Petrioli, Cynthia A. Phillips, DamlaTurgut，“通过自主水下航行器最大化水下无线传感器网络中感知信息的价值”，IEEE INFOCOM 2014 - IEEE计算机通信会议。
- 陈玉石、林云伟“水下传感器网络的Mobicast路由协议”发表在《IEEE传感器杂志》上。2013年2月，第13卷第2期。
- 周忠，彭正，崔俊宏，史志杰，“高效多径通信在水声传感器网络中的应用”，电子工程学报，VOL. 19, NO. 1。2011年2月1日。
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