A Void Avoidance Scheme for Grid-Based Multipath Routing in Underwater Wireless Sensor Networks

This work proposes a geographic routing protocol for UWSNs based on the construction of a 3D virtual grid structure, called Void-Avoidance Grid-based Multipath Position-based Routing (VA-GMPR). It consists of two main components, the multipath routing scheme and the grid-based void avoidance (GVA) mechanism for handling routing holes. The multipath routing scheme adopts node-disjoint routes from the source to the sink in order to enhance network reliability and load balancing. While the GVA mechanism handles the problem of holes in 3D virtual grid structure based on three techniques: Hole bypass, path diversion, and path backtracking. The performance evaluation of the VA-GMPR protocol was compared to a recently proposed grid-based routing protocol for UWSNs, called Energy-efficient Multipath Geographic Grid-based Routing (EMGGR). The results showed that the VA-GMPR protocol outperformed the EMGGR protocol in terms of packet delivery ratio, and end-to end-delay. However, the results also showed that the VA-GMPR protocol exhibited higher energy consumption compared to EMGGR.

融合深度调整和自适应转发的水声网络机会路由

针对水声传感器网络路由过程中的空洞问题和数据传输中能效低下的问题,该文提出了融合深度调整和自适应转发的水声网络机会路由(OR-DAAF)。针对路由空洞,区别于传统绕路策略,OR-DAAF提出一种基于拓扑控制的空洞恢复模式算法—利用剩余能量对空洞节点分级,先后调整空洞节点到新的深度以克服路由空洞,恢复网络联通。针对数据传输中的能效低下问题,OR-DAAF提出了转发区域划分机制,通过转发区域的选择自适应转发面积以抑制冗余包,并提出基于加权推进距离,能量和链路质量的多跳多目标路由决策指标,综合考虑区域能量,链路质量和推进距离实现能效平衡。实验数据表明,相比DVOR协议,OR-DAAF的包投递率和生命周期分别提高10%和48.7%,端到端时延减少22%。

适用于水声传感器网络的混合路由协议

针对水声传感器网络中静态节点与移动节点不同路由设计需求,分析确定性路由和机会路由的特点,提出一种适用于水声传感器网络的混合路由协议(HRP-USN),将水声传感器网络区分为静态节点和移动节点开展设计。静态节点路由协议融合静态路由和动态路由优点,路由建立过程手动配置路由表,路由维护和重建过程采用联合MAC层反馈及聚焦转发控制的方式,兼顾自组织性和协议复杂性;移动节点采用机会路由,将数据以单跳方式发送到静态节点,自适应确定最优中继节点后按照已有路由传输到网关节点,利用水声信道广播特性,提升网络弱通信条件下数据包投递率。通过仿真分析,在不同节点移动速度和误码率条件下,HRP-USN数据包投递率明显优于其他传统路由协议,更加适合水声传感器网络。

能耗均衡与节能的自适应水下路由协议

针对水下传感器网络中节点能耗不均衡和能量有限的问题,提出一种能耗均衡与节能的自适应水下路由协议ECBES(energy consumption balanced and energy saving adaptive underwater routing protocol)。构建双区非均匀分层拓扑。基于能耗均衡因子,利用拓扑和节点剩余能量计算节点转发优先级,实现自适应转发节点选择,均衡网络能耗。与此同时,通过候选转发区域各分区域中节点参与转发数据包的比例确定次优候选转发区域,将次优候选转发区域作为初始策略,利用策略迭代思想确定最优候选转发区域,保证投递率的同时减少不同网络规模中重复数据包的转发,降低网络的整体能耗。仿真结果表明,ECBES相比VBF、ES-VBF和ALRP,在不同节点数量下,节点死亡率均最低,在保证数据包投递率的同时,能耗最少。

水下无线传感器网络自适应锥体矢量路由协议

水声传感器网络(Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks,UWSNs)由于复杂的水下环境,面临着投递率低、传播延迟高和节点能耗大等挑战。为解决这些问题,文章提出了一种自适应锥体矢量路由协议(Adaptive Cone Vector Routing Protocol,ACVRP),根据节点密度自适应调整锥体区域大小和方向,减少冗余通信和网络能耗,并根据节点的剩余能量和节点在锥体区域中的位置确定节点转发优先级,以提高投递率、减少传输跳数。仿真实验结果显示,与VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比,ACVRP在包投递率、能效和端到端延迟方面均表现更佳。

U-WSNs中基于蚁群算法的定向梯度传输机会路由协议

随着水下应用的不断拓展,水下传感器网络被认为是更有潜能的探索工具。传感器网络在水下环境的应用中,为设备充电极其困难,因此路由协议中能耗问题尤为重要,其中以DBR(Depth-Based Routing)协议为例,没有充分考虑到转发跳数问题,在能耗方面缺少一定考量。同时水下环境的高延迟、高吸收性导致传感器之间数据传输具有不稳定性,提出一种基于蚁群算法的梯度传输水下机会路由协议(Directional Gradient Transmission for Opportunistic Routing Protocol Based on Ant Colony Algorithm in UWSNs,DGOR),利用蚁群算法协调网络能耗,采用机会路由和梯度解决水下条件的高延迟等。仿真对比结果表明,DGOR协议能减少能量消耗,有效延长网络生命周期。

基于改进正余弦优化算法的UWSN节能路由

针对水下无线传感器网络节点更换困难、能量有限的特点,提出了一种基于改进正余弦算法的节能路由。在簇的形成过程中,利用改进的正弦余弦优化算法来选举簇头,综合能量、节点密度、通信距离三方面因素并讨论相应权重,为簇头选择设计了更加合理的适应度函数。簇内单跳传输,簇间传输时则采用多跳传输,通过限制深度、能量及转发区域选择合适的下一跳,将采集的信息传递给水面。经网络仿真验证,在相同条件下,该算法较传统LEACH算法和KACO、DUCISCA算法,将正常工作时间延长了69.10%、24.78%、14.94%,能够有效均衡网络能耗,延长网络寿命,提高数据传输率。

基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议

近年来,水下物联网和海洋物联网已经成为一个热门的研究方向,水声传感器网络路由协议作为海洋物联网的重要组成部分也得到研究人员的广泛重视。因此在HH-VBF协议的基础上,提出一种基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议——ES-HH-VBF协议。ES-HH-VBF协议在保留了将下一跳节点的位置信息作为计算节点转发因子的参考值的基础上,引入了节点剩余能量改进节点转发因子的计算方式,以此来均衡网络中的能量消耗;并且还将预设的距离阈值由HH-VBF协议中的固定值改为根据节点剩余能量变化的动态值,从而可以动态地控制数据冗余。为了验证ES-HH-VBF协议的性能,在水下传感器网络仿真器Aqua-Sim上对HH-VBF协议和ES-HH-VBF协议的性能进行了对比分析。仿真结果表明,随着节点发包间隔的增加,ES-HH-VBF协议的包传递率比HH-VBF协议的包传递率高4.2%左右,网络平均时延比HH-VBF协议低11.3%左右,网络平均能耗比HH-VBF协议低8.2%左右。通过对ES-HH-VBF协议和HH-VBF协议的仿真实验分析可知,ES-HH-VBF协议在提高数据包传递率、降低平均能耗和降低平均延时方面具有较大优势。

基于能量预警的管道自适应水下无线传感器网络路由协议研究

水下无线传感器网络通信受环境影响,造成网络的能耗大、数据传递率低、时延大,提出了AE-VBF路由协议。该协议在VBF协议基础上进行了优化,选择候选节点时引入能量预警值并改进转发因子,考虑了节点的能量信息和位置信息,同时引入了路由管道半径算法。通过仿真分析,AE-VBF协议随着网络密度的增加,以较小的数据包传递率的降低为代价,减少了网络的能量消耗,均衡了网络的整体能耗。

水下无线传感器网络的研究进展

随着世界各国对海洋权益的日益重视、发展海洋经济热潮的兴起和陆地无线传感器网络研究的迅速发展,水下无线传感器网络的研究已经成为新的研究热点.首先对水下传感器网络通信技术、传感器网络节点、网络体系结构和水下声学传播特征作了介绍;进而重点对物理层、数据链路层、网络层、传输层、跨层设计、网络信息处理技术、水下定位和仿真平台8个方面的研究进展作了系统的综述;最后介绍了国内外主要研究机构的情况,并讨论了水下无线传感器网络研究存在的一些问题和需要进一步研究的方向.

基于无线传感器网络的电力设施冰灾实时监测与预警系统

一套完整可靠的电力设施冰灾监测预警系统可以为各项防灾、减灾、救灾措施提供可靠数据。在极端冰冻气候下,通信网络中断会使现有电力设施冰灾监测预警系统不能发挥预定作用。为此,文章提出了将无线传感器网络应用于电力设施冰灾监测预警系统,结合监测系统的目标与输电走廊的特点,在满足系统覆盖性的前提下,优化了各类传感器节点的部署,设计了一种塔内为底层且塔间为顶层的二层架构网络拓扑结构,同时将小CT取能装置与蓄电池结合,解决了传感器网络节点的能量供给,采用基于查询的路由协议以及相应的数据融合技术提高了数据传输的效率。文中还指出今后可将保证监测系统的可靠性、安全性,解决其与现有电力通信网络的互联问题作为研究重点。

可充电无线传感器网络动态拓扑问题研究

在可充电无线传感器网络中的能量补给设备兼任数据采集设备的情况下,提出了可充电无线传感器网络时变动态拓扑模型,并在此基础上根据最大化能量补给设备驻站时间比为目标提出了最优化问题。通过分析不同时刻不同传感器节点和无线能量补给/数据采集设备的工作情况及需要遵循的约束条件,得到与原问题具有等优性的多状态线性规划问题。求解该优化问题,获得可充电无线传感器网络动态拓扑下的周期动态路由和无线能量补给/数据采集设备的工作策略。与之前的研究成果相比,优化目标值均有20%以上的提升。

水下传感器网络系统架构与体系结构研究

针对水下传感器网络的现实需求,构建了水下传感器网络的应用场景,提出了高密度水下三维传感器网络的全新概念。结合水下传感器网络的应用,基于陆上传感器网络的体系结构,设计了水下传感器网络的体系结构,对该体系结构各层的功能进行了深入分析。提出一种基于深度信息与能量均衡的水下路由协议,该协议利用节点的深度信息就可以完成数据的有效转发,节点间通信量极少;并设计了协议的算法,提出了空洞处理对策。

水声通信网综述

近年来,由于水下通信技术的发展和应用需求,国内外对水声通信网络进行了大量的研究工作,并且在方案验证、模拟仿真的基础上,开始了水声网络的海上实验。本文从水声通信网的发展过程和特点出发,系统介绍了水声通信网的体系结构和关键技术,并且详细介绍了各层的研究内容和研究现状,最后对水声通信网今后的研究方向和应用前景进行了展望。

VBF水下传感器网络路由协议的路径优化与模拟

针对水下传感器网络节点的移动性,以基本VBF(Vector-Based Forwarding Protocol)路由协议为基础,提出了1种适用于水下移动传感器节点的路径优化算法。为了验证此路径优化算法的有效性,分别对基本VBF算法和改进的VBF算法进行了3个模拟实验;从数据包接收成功率和网络负载两方面分析比较了实验模拟结果。比较结果可以看出:文中提出的路径优化的VBF路由协议的数据包成功接收率要优于VBF路由协议,降低了网络负载,并且该优化算法实现简单,不需要增加额外的网络延迟时间。

一种空间查询高效的无线传感网络路由协议

在以数据为中心的大规模无线传感网络中,感知数据查询通常以空间查询为主,而感知节点携带能量极为有限,因此提高感知数据空间查询能量利用效率尤为重要。Geo Grid协议是一种完全基于地理位置信息的路由协议,适用于大规模无线传感网络应用场景,但其空间查询效率较低。针对大规模空间查询应用场景,从成簇方式、簇首选举、网络拓扑层次构建及路由策略等方面对Geo Grid进行优化,提出一种基于四叉树结构的空间查询能量高效的无线传感网络路由协议——QuadGrid,并对Geo Grid、QTBDC及Quad Grid的空间查询能耗进行仿真分析。实验结果表明,与Geo Grid、QTBDC相比,Quad Grid网络能耗更均衡,网络生命周期更长,空间查询更高效。

水下传感网络能量均衡与时延优化深度路由协议

水下传感器节点的精准位置信息很难获取,因此基于地理位置的水下传感器网络路由协议在水下三维空间中很难广泛应用。基于深度信息的路由协议DBR(Depth-Based Routing)只需要掌握节点深度信息就可以实现有效的数据转发,克服了需要精确地理位置的约束。但是传统DBR协议采用了洪泛传播机制,增加了水下传感器网络的冗余数据包,导致能量消耗过多且分布不均衡。从节点能量耗费均衡和数据包传输时延优化的角度,提出了基于水下传感器节点能量均衡与延时优化的DBR优化改进策略,根据传感器邻居节点的深度值以及剩余能量水平决定各个邻居节点的转发概率。仿真结果验证了改进后的深度路由协议在数据传输成功率和能耗均衡性能等方面均优于传统的DBR协议。

基于位置信息的水声传感器网络路由协议

由于水下环境与地面环境不同,无线传感器网络中的协议不能直接应用于水下传感器网络中。针对水下环境的特点,提出了一种适用于水下传感器网络的路由协议。它是一种可扩展的、能量高效的路由协议。仿真结果显示:网络节点的移动速率不是很大时,该协议具有能量利用率高、数据传输成功率高和传输延时低等优点。

一种基于水声信道的无线传感器网络路由协议

以无线传感器网络的水下应用所面对的挑战为背景,针对水声信道的传输特点,在最小代价算法和目的节点序列距离矢量DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)路由协议的基础上,提出了一种均衡节点能耗的路由协议算法。该协议按照最小能量代价建立多跳路由表,从而在数据传送时能够均衡各节点的能量消耗,达到延长网络生命周期的目的。仿真结果表明,相对于DSDV协议,本文提出的协议能够实现能量均衡,有效的延长网络生存周期。

三维水声传感器网络中高效路由协议的研究

近年来,三维水声传感器网络在学术界和工业界引起了极大的关注。在被监测海域部署三维水声传感器网络,可以解决二维水声传感器网络节点无法充分观测的问题。为了实现三维水声传感器网络在新环境中的水下监测,需要解决一系列的问题。其中,由于监测区域环境的限制以及水声传感器节点的特殊性,需要设计高效的路由协议来保证数据包在各节点之间正确转发。首先提出一种基本地理位置路由协议。在此基础上,设计一种自适应路由协议,以较好地适应三维水声传感器网络中部分节点失效的情况。通过仿真实验发现,自适应路由协议可以在数据包传送率、端到端延时和网络吞吐量指标上达到平衡,而基本地理位置路由协议在端到端延时指标上可获得更好的性能。