文摘

水下无线传感器网络(UWSNs)得到研究者的关注由于其大量的应用在各个领域。UWSN的主要应用领域是环境监测、水下石油和天然气开采和军事监测、智能农业、通信等等。然而,UWSNs也容易出现重大问题,如网络寿命有限,节点的处理能力低,能源消耗高运行路由协议,和困难的节点替换。因此,提高UWSN的一生通过减少能源消耗和处理是一个研究问题。在这个研究中,我们提出了物联网基地启用深度路由方法(IDBR)有效地利用能源。提出IDBR方法的性能与传统的DBR协议使用MATLAB进行仿真。(即性能的方法。,IDBR and DBR) is evaluated in network energy consumption, the number of alive nodes, sink utilization, and end-to-end delay. The simulation-based experiment results show that IDBR consumes 27.7% less energy and increases network stability than the DBR. Similarly, the utilization of the surface sinks in IDBR is more as compared to DBR as in IDBR, and sinks work as relay forward data to the base station without processing which increases the power of field nodes. The proposed mechanism improves the network’s lifetime and increases the accessibility and security of the sensed data.

1。介绍

地球的三分之二部分由水等各种形式的海洋、湖泊、溪流、河流和冰川(1,2),包含一个充足数量的有价值的资源。这表明探索水下的媒介的重要性。探索水下的媒介也是必不可少的监测污染(3],军事应用[4),石油钻井平台维护(5),海洋生物和环境监测6]等。最近水下传感器技术的进步导致了水下探索的可能性,有效利用传感器(7]。UWSN结合自治传感器设计感压力,温度、水质、和其他与水相关的属性(8]。然后传感器收集的数据发送到汇聚节点进行分析通过其他传感器节点使用声波。相关的重大问题UWSNs网络的生命周期是有限的,节点的处理能力低和高能源消耗运行路由协议(2]。的电池更换UWSN是一项具有挑战性的任务,一个节能的路由方法可以有助于提高网络的生命周期。

物联网(物联网)是一个物理对象之间的网络概念嵌入软件、传感器和其他通信硬件(9,10]。物联网的主要目的是提供高效的沟通和数据收集等设备用于各种任务交通监控、数据收集设备使用情况,监控和维护、智能城市、智能农业、(11]。物联网系统有四个主要组件:传感器或节点、通信模块、数据处理模块和一个用户界面(12]。传感器是用来收集数据;通信模块是用来发送数据到云,和处理模块用于处理数据,而用户界面用于报告有关情况的用户(13]。

地路由(DBR)协议是一种流行的UWSN路由方法用于查找数据发送节点和汇聚节点之间的最短路径(14]。然而,它只专注于传感器节点的深度决定而忽略了其他参数如水槽节点的存储和处理能力。相关的重大问题UWSN高能源消耗和有限的网络生活。有效但有限的路由协议的路由协议的步骤可以解决上面提到的问题(15]。加强UWSN的生命周期,至关重要的是,处理水槽节点和基站的数据存储应减少。这个解决方案是可能的如果启用了物联网特征UWSN的体系结构。

在这个研究中,我们提出了一种新的方法,将纳入物联网与UWSN特性。启用了物联网智能汇只会向前数据基站而不是处理或存储。它还将交付感觉到数据到最近的沉向基站传送数据时的力量汇聚节点成为低在沟通。该方案将使用云计算与物联网数据存储和数据处理服务。数据收集将沉在水下的责任网络,而存储和处理能力将云的责任。建议的机制提高了网络的生命周期,增加感知数据的可访问性和安全。

论文的其余部分被组织为:在部分2我们讨论了文献综述。部分3和4讨论我们提出IDBR路由方法和方法进行实验,分别。讨论了实验的结果和结论部分5和6,分别。

2。文献综述

传感器节点的电池寿命(UWSN)是有限的。因此,一些水下传感器节点数据传输期间从UWSN消失了。阿玛等人提出了一个苹果的协议,使用深度调整和分裂机制基于贪婪的方法(16]。他们提出的协议解决孤立节点的问题,从而提高了网络的生命周期。同样,王等人提出了一个新的contention-based节能的媒体访问控制(MAC)的水下传感器网络(17]。他们推迟访问的CSMA / CA技术和multiplexing-based空间的时分多址(SDMA)与高速的实时传输数据。拟议的技术确保了信道的空闲状态首先通过执行一个声学握手的传感器节点的位置信息。如果不是,它等待下一个时间段,执行推迟访问通道。所以,检测通道是否准备好了光传输,使用光学握手,同时,梁的安排执行。最后,通过使用光学通信,传感器节点终于在网络上传输数据。如果信道条件不满足光学通信需求,然后小数据包使用声学通信与传输的数据量非常高的优先级。结果表明,拟议中的协议吞吐量翻了一倍,和节点的寿命超过30%纯声学通信和减少网络操作。

汗和已经提出LRCLE,节点位置发现算法,降低计算成本,减少节点位置误差(18]。LRCLE使用全球定位系统(GPS)和温度节点的位置和最小误差。该算法LRCLE各参数,如沟通成本,提高定位覆盖率,和定位误差相对于其他已知的算法。而阿里等人提出了一个基于时间的可靠的链接(TBRL),这部小说物联网使水下传感器网络的路由方案(19]。TBRL是分为三个不同的阶段。在最初阶段,该方案的帮助下发现的所有传感器节点拓扑innetwork拓扑算法。在下一阶段,每个建立链接的可靠性一直是使用两个传感器节点的模型计算可靠的智能环境。在第三阶段,所有可能的路径计算和选择最可靠路径发送数据包。TBRL相比地路由(DBR)和可靠的节能路由方法为了检查能源的消费,端到端延迟和数据包交付物联网使水下传感器网络的比例。

乌斯曼等人集中在IoT-UWSNs并支持智能城市愿景,基于陆地消失与自适应聚类簇头的习惯(ACH)²在三维区域观察到在水下环境中(1]。研究人员认为三种情况:一个汇聚节点在水面,多个水槽节点在水面,和水槽节点在和水。水下(ACH)²(U - (ACH)²在每个情况下计算)。在拟议的计划,他们使用深度提出了U -(乙酰胆碱)²检查(ACH)²在水下环境中实施。

梅农等人提议SEEORVA,水声传感器网络的节能路由协议使用机会主义路由策略轻量级加密方法安全可靠数据传输(20.]。他们提出的方法重视节点有残余能量上面定义的阈值进行数据转发,从而提高网络的寿命。同样的,他等人提出:人工智能和神经网络智能交通系统高效节能的传感器网络路由协议(21]。他们使用了混合方法的自组织映射(SOM)和分布式人工智能(DAI)技术,提高了整个网络的生命周期。相比之下,Verma等人调查Hierarchical-based路由协议对传感器网络的能源效率(22]。

3所示。IDBR:物联网基地启用深度路由方法

DBR的流行UWSN路由协议,利用深度信息节点的路由决策(14]。在通常的DBR场景中,水池节点位于水面救生圈,和基于每个传感器节点的深度信息,DBR使用贪婪转发数据包的方法。每一个数据,包保持最近的货代的深度信息,更新在每一跳。当一个传感器节点收到任何数据包,它比较深度嵌入在一个数据包的深度。如果其深度更小,它将数据包转发到下一跳,否则的话,就放弃它。DBR需要数据转发决策基于节点的深度信息而忽略水槽节点的存储和处理能力等其他参数;虽然,考虑到其他参数做出路由决策可能提高路由决策。然而,这也可能引入明显的计算成本和额外的内存。

在我们提出物联网基地启用深度路由方法(IDBR),我们介绍了物联网智能水槽节点启用。这些水槽节点的职责将是向前数据库站而不是存储和处理数据。它还将交付感觉到数据到最近的沉向基站传送数据时的力量汇聚节点成为低在沟通。该方案将使用云计算与物联网数据存储和数据处理服务。在本节中,我们讨论的工作和算法提出IBDR方法。

3.1。工作的IDBR

提出IDBR路由方法需要传感器节点部署在现场,和物联网使表面水槽节点(部署在救生圈),基站和云。磁场传感器是用于收集的数据字段。物联网使表面水槽节点收集的数据字段节点,并将它们发送到基站。基站连接水槽节点与云,存储和处理数据,然后发送到用户。的工作提出IBDR方法见图1。

算法1作为传感器节点的数据包转发算法。当一个传感器节点接收数据在最初的步骤中,它会检查是否合格的转发数据包。在这个阶段,当前节点将前一个节点的深度信息和它的深度 。后得到的值和 ,前面的节点的节点将计算区别和当前节点深度不同 。 被称为保持时间计算。每个传感器节点使用这种占用时间安排一个时间表UWSN数据包转发。如果大于阈值 ,这意味着适用于接收节点转发数据包;否则,节点将计算数据包的发送时间和检查与转发数据包。然后,合格的节点会之前的发送数据包的时间计算并将其转发给汇聚节点。收到许多数据包的转发,节点使队列的数据包FIFO(先进先出)战略考虑接收数据包。

算法2被用作水槽节点的数据包转发算法。最初,水槽节点等待接收传感器节点的数据包。收到数据后,水槽节点将检查其残余能量阈值 。如果水槽的残余能量的值大于或等于阈值,水槽节点将数据发送到基站的“狗屁”;否则,它将发送数据到最近的下沉。

算法3作为一个数据包转发算法用于基站。最初,基站等待接收汇聚节点的数据包。从水槽节点收到数据后,基站将发送数据到云存储、处理和分析。

4所示。方法

用于测试的性能提出了DBR IDBR路由方法,我们实现DBR和MATLAB IDBR路由方法。网络仿真是作为大小 225年,传感器节点随机部署,与初始状态传感器节点2焦耳的能量。五水槽节点被部署在水面与基站通信。的模拟IDBR和DBR协议进行使用相同的仿真参数和网络设置。提出IDBR的性能评估方法和DBR在能源消耗方面,活着的节点的数量,水槽利用率和端到端延迟。进行实验后,IDBR和DBR的结果进行了比较。提议的方法的流程图如图2。仿真参数表中所示的细节1。

5。结果和讨论

在这个研究中,我们提出了物联网IDBR启用,UWSN的节能路由方法。提出IDBR方法的性能与传统的DBR协议使用MATLAB进行仿真。两种方法的性能(例如IDBR和DBR)是评价网络能量消耗,活着的节点的数量,水槽利用率和端到端延迟。所有实验在一个工作站上4.1 GHz酷睿i7处理器和16 GB的RAM。本节包含一个讨论实验的结果。

5.1。能源消耗

表2和图3显示能耗对比UWSN没有物联网(DBR)和UWSN物联网(IDBR)计算在不同时期。结果表明,1000秒后,DBR利用10.3%能源而IDBR利用6.6%的能量。后5000秒,DBR利用能源而IDBR利用27.34% 45.5%。同样,DBR网络能源消耗总量的66.1%的模拟,而IDBR网络能源消耗总量的38.4%。结果显示,利用传感器节点之间的能量在沟通效率更高(27.7%不到DBR)该方法因为物联网使数据转发更好沟通,增加一生UWSN相比,现有的方法。

5.2。网络稳定

在网络稳定,IDBR中的节点路由方法比DBR方法更加稳定。表3和图4显示活跃节点的数量对比UWSN没有物联网(DBR)和UWSN物联网(IDBR)计算在不同时期。结果表明,1000秒后,DBR的活着的节点数量是192,而在IDBR,活着的节点的数量是212。同样,5000秒后,DBR的活着的节点数量是131,而IDBR活着节点的数量记录为145年。最后模拟,活着的节点的数量DBR记录为104,而在IDBR,记录为108年。结果显示,网络比DBR IDBR更稳定。

5.3。表面水槽节点利用率

表4和图5比较表面水槽节点利用率之间UWSN没有物联网(DBR)和UWSN物联网(IDBR)计算在不同时期的力量。结果显示,在1000秒,平均水槽节点利用DBR 121.3分贝,而平均水槽节点利用率IDBR 124分贝。同样,在5000秒,平均水槽节点利用DBR 106.1分贝,而IDBR水槽节点利用率平均为117.6分贝。最后模拟、DBR的平均沉节点利用率为82.02分贝,而IDBR水槽节点利用率平均为100.7分贝。结果表明,利用地表下沉IDBR更比DBR IDBR,下沉工作作为中继转发数据的基站没有处理增加字段节点的力量。

5.4。端到端延迟

在端到端延迟的情况下,数据包在IDBR路由方法经历更多的延迟比DBR方法。表5和图6展示物联网使UWSN之间比较的端到端延迟和物联网基于端到端延迟UWSN之间没有物联网(DBR)和UWSN物联网(IDBR)在不同时期用秒计算。1000秒后,结果表明,数据包的端到端延迟DBR是30.61秒,而在IDBR,数据包的端到端延时72.98秒。同样,5000秒后,数据包的端到端延迟DBR是6.46秒,而在IDBR,数据包的端到端延迟是31.7秒。最后模拟、数据包的端到端延迟DBR记录是1.28秒,而在IDBR,数据包的端到端延迟是记录为27.26秒。结果表明,平均端到端延迟增加IDBR DBR相比,由于距离的增加和源之间的联系到目的地后引入基站和云,使物联网功能。

6。结论

水下无线传感器网络(UWSN)可以有效地用于探索水下的各种媒介活动,如环境监测、水污染、海洋生物监测、石油钻井平台维护、和军事应用。然而,相关的重大问题UWSNs网络的生命周期是有限的,节点的处理能力低和高能源消耗运行路由协议。在这个研究中,我们提出了物联网基地启用深度路由方法(IDBR)有效地利用能源。提出IDBR方法的性能与传统的DBR协议使用MATLAB进行仿真。(即性能的方法。,IDBR and DBR) is evaluated in network energy consumption, the number of alive nodes, sink utilization, and end-to-end delay.

根据研究结果,提出IDBR找到更好的DBR相比而言,能源消耗和网络稳定性。发现IDBR少消耗27.7%的能源和提高网络稳定时间比DBR。同样,利用地表下沉IDBR更比DBR IDBR,下沉工作作为中继转发数据的基站没有处理增加字段节点的力量。建议的机制提高了网络泡沫破灭的生命周期和增加感知数据的可访问性和安全。IDBR提出的方法可以有效地利用环境监测、海洋采样和生态监测等的化学和生物污染沉积在海底,开展水质观测涉及人们的参与影响实时通知。

优化和高效的能源消耗是一个重要的需要UWSN,更换电池是在水下环境中一个具有挑战性的任务。我们建议IDBR方法与静态节点文件。在未来,我们期待与移动节点测试计划的协议,包括水下车辆。此外,我们的目标是开发一种能量高效的路由协议在UWSN节点与混合能量收集能力。

表6包括本研究中使用缩写词和首字母缩略词的描述。

数据可用性

它是基于仿真的研究,没有数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了塔伊夫大学的研究人员支持项目数量(TURSP-2020/254),塔伊夫大学,塔伊夫,沙特阿拉伯。