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UAV-Aided Cooperative Data Collection Scheme for Ocean Monitoring Networks

计算机科学 实时计算 基站 无线传感器网络 数据收集 匹配(统计) 水下 最优化问题 分布式计算 计算机网络 算法 数学 统计 海洋学 地质学
作者
Ruofei Ma,Ruisong Wang,Gongliang Liu,Weixiao Meng,Xiqing Liu
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (17): 13222-13236 被引量:50
标识
DOI:10.1109/jiot.2021.3065740
摘要

In this article, we present an unmanned aerial vehicle (UAV)-aided ocean monitoring network for remote oceanic data collection, in which monitoring data are transmitted first from battery-powered underwater sensor nodes (USNs) to sea surface sink nodes (SNs) in a data collection cycle using underwater acoustic communication, and then a UAV hovering in air collects all the data from SNs and relays them to a ground base station via wireless communication links. Aiming at maximizing network lifetime, we model the resource allocation, USN-to-SN access, and SN-to-UAV access issues as a mixed-integer nonconvex optimization problem. To efficiently solve it, we decompose the optimization into two stages. The first stage is to minimize time consumption in an SN-to-UAV nonorthogonal multiple access process and we solve it by designing a UAV deployment scheme, a subchannel matching scheme, and a joint power and time allocation scheme, based on which, the second stage is to maximize the residual energies of USNs in USN-to-SN transmissions under a modified frequency-division multiple access strategy in each collection cycle. The second-stage optimization is further decomposed into some similar subproblems, and each of them is considered as a bipartite graph matching problem between USNs and underwater acoustic channels. For each subproblem, we propose improved weight-based matching and bisection-based searching algorithms. Finally, we design a low-complexity iteration algorithm to approximate the optimal solution of the original problem by solving these subproblems. The simulation results validate the effectiveness of our proposals.

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