一种鲁棒的中等规模分簇结构水下传感器网络精品

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doi: 10.6043/

一种鲁棒的中等规模分簇结构水下传感器网络

张昊1，王世练1*，孙海信2

（1.国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073；2. 厦门大学信息科学与技术学院，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门361005）

摘要：针对现有水下传感器网络分簇算法负载不均衡和生命周期较短的问题，基于粒子群优化算法和遗传算法的基本思想，提出一种全局优化的智能分簇算法。为了使粒子初始化编码较为合理公平，根据节点近期当选过簇首的次数动态调整节点选举概率；通过对粒子整个编码区域进行循环搜索来捕获一个优良的随机交叉片段，保证了交叉后的粒子含有一定数量的历史较优簇首信息；通过节点编码位的变异提高算法的探索性，并确保解空间的存在性；在粒子评价函数中综合考虑簇首能量、负载均衡和分簇范围三个优化子目标。仿真结果表明，提出的算法更好地均衡了簇首负载，同时有效减少了网络能耗，延长了网络生命周期大约三倍左右。

关键词：水下传感器网络；分簇算法；负载均衡；能量有效；离散粒子群优化；物联网；环境监测

中国分类号：TP393 文献标识码：A

随着社会经济的发展，人类对海洋资源和海洋航道的依赖日益增大，为了更好地勘探海洋资源，保护海洋环境，预防海洋灾难以及监测水下目标，各国政府和科学家都越来越重视对海洋的研究。

水下声学传感器网络通过在海底布设传感器节点和在水面部署浮标网关节点，将水下传感器收集到的信息通过单跳或多跳的方式，以声信号发送到下一个中继节点或海面网关，海面网关节点接收到声信号后，

收稿日期：2016-04-20 录用日期：2016-09-19

基金项目：国家自然科学基金()

*通信作者：wangsl@

再以无线电方式发送到岸基中心或卫星上。因此可以很好地实现水下信息收集，并通过信号和数据分析实现灾害预警、港口监测以及水下导航、定位等业务。

由于水下环境的复杂性，水声通信信道是目前为止最为复杂的无线信道，其具有低速率、强多径、高噪声、大衰减以及时-空-频变的特征，这对水声通信系统性能和传感器组网带来了很大挑战[1-3]。水下传感器网络作为一种特殊的无线网络，除了具有陆地无线传感器网络所具有的一般特性外，还具有高动态性、自组织能力、节点能量有限、传输高时延高误码等特性[4-7]。

网络拓扑结构是无线网络工作运行的基础，一个良好的拓扑结构为无线传感器网络的路由和MAC等协议的优化设计提供了前提。无线网络的拓扑结构可以分为平面结构和分级结构。其中，平面结构简单健壮，但是可扩展性差，主要适用于小规模网络；分级结构将网络节点分为不同的工作级别，使用簇首节点对成员节点进行管理和数据融合，简化了路由设计，对于节点较多的水下传感器网络有很好的研究价值。

分簇结构是一种主要的无线网络分级拓扑结构。Leach算法错误!未找到引用源。是最早的一种无线网络分簇结构协议，该算法实现了动态簇首选举，簇内进行数据融合，但是该算法存在簇首负载不均衡的问题，且在簇首选举中并未考虑节点能量。HEED算法错误!未找到引用源。是一种混合的无线网络分簇算法，簇首分布较均衡，在簇首选举中考虑了节点剩余能量，但是在分簇阶段需要进行多次迭代，导致控制开销很大。EEUC算法错误!未找到引用源。是一种非均匀无线网络分簇算法，使用迭代的方式竞选簇首，过多的交互信息增加了网络能耗。EEMUC 算法错误!未找到引用源。在水下环境中通过网络非均匀分层在区域内竞争簇首，减少了交互信息的开销，节省了网络能耗，但是该算法在大规模水下网络中更为适合，在目前以中小规模为主的水下网络中性能提升有限。文献错误!未找到引用源。提出了一种采用离散PSO算法并引入交叉和变异算子的集中式分簇算法，但是该算法只是为大规模的陆地传感器网络设计的，当节点数较少的时候性能会下降，同时并未考虑水下传感器网络的特点和算法需求，也未考虑水下节点通信时的能量消耗特点，且其中的交叉和变异算法也不适合于水下传感器网络分簇算法的需求。这些问题导致以上的无线分簇网络应用到水声环境时生命周期较短，并且影响整个网络的实际应用效果。针对上述算法中存在的不足，本文提出了一种新的水下传感器网络分簇优化算法，该算法采用全局优化的思想，有效提高了网络生命周期和负载均衡。

1 网络模型和能量消耗模型

1.1 网络模型

在本文提出的算法中，主要以浅海中等规模的二维分簇结构水下传感器网络为研究对象。我们对该网络做出如下假设：

1）水面浮标网关布置在网络区域中心，且能量没有限制；

2）水面网关知道每个节点的剩余能量和位置坐标；

3）各节点电池能量有限且初始能量相同，同时具有发射功率控制功能；

1.2 能量消耗模型

由于海洋环境的特殊性，水下远距离通信只能采用声信号进行通信，首先参考文献错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。分析水声通信机发射和接收信号时的能量消耗模型：

1）被动声呐公式

被动声呐接收端信号的信噪比为:

SNR SL TL NL DI =--+ （1）

其中，SL 为发射声源级，TL 是传输损耗，NL 是背景噪声级，DI 是方向系数。所有量的单位是dB 。

2）传输损耗

在浅海水域，声信号传输损耗近似为：

310log 10TL d d α-=+⨯ （2）

其中d 是收发距离，单位是m ，α是海水吸收系数，单位是dB/km 。

吸收系数α一般的计算公式为：

22

4222

0.140 2.75100.00314100f f f f f

α-=++⨯+++ （3） 其中f 表示通信频率，单位是kHz 。一般水声通信系统使用的通信频率为8~15kHz ，且通信带宽很窄。

3）传输功率

在浅海水域，距离声源d m 处信号强度T I 时声源传输功率

(d)=2d T T

P H I π⨯⨯⨯ （4） 其中/1018100.6710SL T I -=⨯⨯，单位为2/W m 。H 是海水深度，单位是m 。

（4）发射机的能量消耗

节点发送k bit 数据包到d m 距离，消耗的能量为

(d)+E ele T c T T E P T k =⨯ （5）

T T 是发送k bit 数据所需的时间，单位是s 。E elec 是处理1 bit 信息电路所消耗的能量。

（5）接收机的能量消耗

接收机接收k bit 数据消耗的能量为

E =+E R R R elec T k P ⨯

（6）