水下三维无线传感器算法改进

邓向军

摘要：在网络技术发展迅速的今天，水下三维传感器网络是当前三维无线传感器网络研究的一个热点领域 ，设计出一种适用于水下三维空间的无线传感器网络路由能够加速生产力，并且为环保做出贡献。利用水下三维无线传感器，部署在不同深度的水体中，基于通信链路，组网，协同执行监视任务的静态或动态水下传感器节点组成的一个三维水下无线传感器网络。作用范围包括包括海洋环境数据采集，海水污染监测，海洋灾害预警，船舶导航，水下武器的防御。

关键词：水下；三维；无线传感器；路由

随着无线通信，电子与传感技术的发展，由大量具有感知能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络逐渐成为理工科研究的热点问题。无线传感器网络技术（Wireless Sensor Networks， WSN）是一种涉及多个学科，知识高度集中的技术。WSNs是多个具有感知能力，计算能力和通信能力的传感器节点通过自我的组织构成的网络，同时也是一种与应用相关的新型无线网络，与常见的其他无线网络，例如蜂窝移动电话网，无线自组网等相比，与无线自组网最为相似，都采用分布式的无线通信方式，无固定基础设施的多跳路由，能适应拓扑动态变化。三维无线传感器网络是指传感器节点分布在三维立体空间，网络部署区域高度相对于长度和宽度而言不可忽视的传感器网络，相对于二维角度，三维空间的无钱传感器网络更适合于现实世界的仿真，故在现实世界中的应用前景广泛。

一、国内外研究现状

计算机网络技术的发展和普及标志这一个信息技术时代的来临，网络越来越多的融入日常生活，与人们的生活息息相关，关于网络的计算机技术因此得到广泛的研究和发展，经过大多数专家学者的研究发现，无线传感器网络将是这个转变的桥梁，致使 WSN 的研究涉及到了各个领域，成为全球化的关注焦点。 美国国防部大力支持了麻省理工学院、奥本大学、宾汉顿大学、立克利夫兰大学等国内高校致力于研究 WSN 的核心科技。研究的主要内容就包括了低功耗的WSN，自组织的WSN等等技术，其中， Crossbow 公司较为领先的利用 WSN 技术研制出多种试用产品发行于市场，这些产品成为全球各大高校，研究机构以及公司的相关人员从事无线传感器领域研究的技术保证。同时段中，Microsoft、Intel 等知名 IT 企业与合作到无线传感器的研究中，再结合上德州仪器、微处理器制造公司、Atmel、ZTE 等也参与进来，致使以无线传感器技术为核心的物联网研究工作的队伍越来越庞大。而随着中国的崛起，伴随信息时代的飞速发展，我国的物联网科技也在快速发展之中，国内研究人员在空间的 无线传感器这一方面重点落在节点的分簇优化问题和降低能耗的问题上，如南京邮电大学、香港科技大学等高校，其研发出的 Ubi Cell-MUbi Cell-M 传感器以及基于Telos-B 平台开发，在提高节点自身具备高像素和图像获取及处理能力方面，已经完全达到了网络监控与识别的要求，并研发出了低功耗 WSN 节点。

伴随二维模型中无线传感器网络的成熟，更加仿真现实世界的三维空间无线传感器网络正在走向主流。相对于二维平面的无线传感器网络，三维空间更加复杂，路由算法的研究成为三维无线传感器网络研究的热点。

结合当前的研究，从不同领域不同角度提出了多种适用于三维无线传感器网络研究方法。国内外关于三维无线传感器网络的研究主要是在经典算法的改进，局部最小，空间环路，负载均衡和节能五个方面。

二、国内外算法的提出

1，贪婪算法（GFO）经典无线传感器网络路由算法的改进。

通过分析节点的临界传输半径CTR并结合GR算法，提出3DERGrd算法，找到最优路径。

2，环路问题，提出了包含角度迭代的路由算法。（3DIAIR）。

3，节能问题，Fevens等人先后提出了PAGH，PAGO和PAGU可調传输半径能量感知算法。通过研究证明新算法的数据投递率明显提高，并且降低了稀疏网络中Local Minimum现象对数据投递的影响。

4，负载问题，研究领域提出了CSR弧线航行路由算法，该算法将空间网络节点按一定数学计算映射到球体上，根据节点虚拟坐标计算球面面积，从而建立数据传输路径，减少网络拥堵，均衡负载，延长网络生存时间。

5，三维无线传感器网络路由设计中局部最小问题。A.L Ananda等人提出了SCR（Spherical Coordinate Routing）三维求坐标路由算法。

三、算法改进

为了适应三维空间的无线传感器网络路由。优化能量的消耗，提出一种基于LEACH算法的优化算法。在三维无线传感器中，所有的传感器节点假设有相同的参数设置，在算法选取上，明显提高网络均衡性，提高能量有效性，延长传感器网络生命周期。由于是在二维无线传感器网络算法中LEACH分簇算法的基础上加以改进，所以从能量和最优距离两个角度，采用辗转分裂分簇算法（ISCA）实现合理分簇。根据坐标节点的位置和初始能量信息，将所有节点分为两个簇，基于最优簇头理论来保证网络能耗的最低，然后在固定簇头的思想上，减少频繁建簇，综合考虑剩余能量和三维空间中节点坐标信息，并选出簇头，减少环路的产生，均衡网络能耗。

使网节点更充分的发挥了在拓扑结构中的作用，也使网络资源利用率明显提高，实现了算法的优化，降低能耗。

四、总结

在网络技术发展迅速的今天，水下三维传感器网络是当前三维无线传感器网络研究的一个热点领域 ，利用水下三维无线传感器，部署在不同深度的水体中，基于通信链路，组网，协同执行监视任务的静态或动态水下传感器节点组成的一个三维水下无线传感器网络。技术能够在很多关键性领域起到重要的作用。

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