基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點優(yōu)化目錄內(nèi)容概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.1水資源管理的重要性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.2水利感知網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.3文章的研究意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7相關(guān)背景知識．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.15G技術(shù)概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.3水利感知網(wǎng)絡(luò)概念及功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11技術(shù)原理與原則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133.1低功耗節(jié)點工作機制介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133.2傳感技術(shù)在水利中的應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．193.35G通信與北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)傳輸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22低功耗節(jié)點設(shè)計思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.1能效關(guān)系模型構(gòu)建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.2通信協(xié)議優(yōu)化策略．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．264.3協(xié)同控制與調(diào)度機制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28水利感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與拓?fù)湓O(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．315.1網(wǎng)絡(luò)層級劃分及基本架構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．315.2節(jié)點部署與布放的策略．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．345.3拓?fù)鋭討B(tài)調(diào)整與優(yōu)化算法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38實驗設(shè)計與仿真分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．416.1仿真場景設(shè)置與實驗?zāi)繕?biāo)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．416.2節(jié)點自組網(wǎng)絡(luò)連通性與穩(wěn)定性測試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．436.3性能參數(shù)優(yōu)化效果評估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44結(jié)論與展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．497.1研究結(jié)果總結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．497.2現(xiàn)有技術(shù)的不足與改進(jìn)建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．517.3未來研究方向與挑戰(zhàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．521.內(nèi)容概述1.1水資源管理的重要性水資源作為維系生態(tài)安全、支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，其科學(xué)配置與高效利用直接關(guān)系到國家糧食安全、生態(tài)健康與社會長治久安。全球范圍內(nèi)，約20億人口面臨水資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；我國人均水資源量僅約2000立方米，不足全球平均水平的四分之一，且存在顯著的時空分布不均問題。在具體應(yīng)用層面，農(nóng)業(yè)灌溉用水占比超60%，但有效利用率僅56%左右；城市供水管網(wǎng)漏損率普遍介于15%至25%之間；工業(yè)用水雖重復(fù)利用率較高（約85%），但再生水回用比例不足20%；同時，生態(tài)基流保障不足導(dǎo)致黃河流域、海河流域等多條重點河流季節(jié)性斷流，濕地面積持續(xù)縮減。上述問題凸顯了傳統(tǒng)粗放式管理模式的局限性，亟需通過技術(shù)手段實現(xiàn)精準(zhǔn)化、動態(tài)化監(jiān)管?！颈怼克Y源管理領(lǐng)域核心挑戰(zhàn)與現(xiàn)狀指標(biāo)管理領(lǐng)域關(guān)鍵問題量化指標(biāo)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率偏低有效利用率約56%城市供水管網(wǎng)漏損嚴(yán)重平均漏損率15%-25%工業(yè)用水再生水回用不足回用率低于20%生態(tài)保護生態(tài)流量保障不足多條河流季節(jié)性斷流在此背景下，融合5G通信與北斗導(dǎo)航技術(shù)的智能水利感知網(wǎng)絡(luò)，通過低功耗節(jié)點優(yōu)化設(shè)計，可顯著提升監(jiān)測精度與響應(yīng)效率，為破解水資源短缺、污染與浪費難題提供技術(shù)支撐。科學(xué)高效的水資源管理不僅是應(yīng)對氣候變化的必要舉措，更是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的核心前提。1.2水利感知網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景隨著全球化進(jìn)程的加快和人口密集地區(qū)的擴大，水資源短缺、污染治理以及水利設(shè)施安全問題日益突出，這些問題對經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，水利感知網(wǎng)絡(luò)（WaterSensingNetwork,WSN）作為一種新興的前沿技術(shù)，逐漸受到關(guān)注。水利感知網(wǎng)絡(luò)通過集成多源傳感器、無線通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測水體的物理、化學(xué)、生物指標(biāo)，提供準(zhǔn)確的水質(zhì)評估、水量變化預(yù)警等信息，為水資源管理、環(huán)境保護和公共衛(wèi)生提供了重要的數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的水利監(jiān)測手段往往依賴于人工測量、樣方檢測等方式，具有耗時、低效、易受人為因素影響等顯著缺陷。尤其是在大規(guī)模水利工程或災(zāi)害監(jiān)測中，傳統(tǒng)方法難以滿足實時性和精準(zhǔn)度的需求。而隨著5G通信技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，水利感知網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)正在發(fā)生革命性變化。5G技術(shù)提供了高頻率、低延遲、容量豐富的通信能力，能夠支持水利感知網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)采集與傳輸，而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)則為水利感知網(wǎng)絡(luò)的部署提供了精確的定位和定時服務(wù)，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和智能化水平?；?G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著優(yōu)勢：首先，5G通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水利感知節(jié)點與云端數(shù)據(jù)中心之間的快速數(shù)據(jù)互通，支持大規(guī)模水利感知網(wǎng)絡(luò)的部署；其次，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)能夠為水利感知節(jié)點提供精確的定位信息，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或災(zāi)害監(jiān)測中尤為重要；再次，兩者結(jié)合能夠顯著提升水利感知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，從而滿足水資源監(jiān)測和管理中對實時性和準(zhǔn)確性的高要求。在實際應(yīng)用中，基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。例如，在中國某些大型水利工程項目中，水利感知網(wǎng)絡(luò)通過實時監(jiān)測水體環(huán)境變化，幫助工程部門及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險并采取預(yù)防措施；在洪水災(zāi)害發(fā)生時，水利感知網(wǎng)絡(luò)能夠快速響應(yīng)，提供災(zāi)害影響評估和救援指導(dǎo)；在污染治理中，水利感知網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測污染物濃度變化，為治理方案優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。此外基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)還可以與智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等其他系統(tǒng)無縫對接，進(jìn)一步提升水資源管理的整體水平。然而在實際應(yīng)用過程中，水利感知網(wǎng)絡(luò)的低功耗節(jié)點優(yōu)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何在復(fù)雜環(huán)境下最大化能效；如何實現(xiàn)節(jié)點間的高效通信與能量管理；如何結(jié)合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理等。因此研究和探索基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點優(yōu)化方案具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。以下表格總結(jié)了基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)勢、應(yīng)用場景及面臨的挑戰(zhàn)：技術(shù)/優(yōu)勢應(yīng)用場景面臨的挑戰(zhàn)5G通信技術(shù)實時數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)延遲低、帶寬高網(wǎng)絡(luò)部署成本高、信號衰減問題、安全性問題北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)精確定位、廣域監(jiān)測、應(yīng)急救援支持定位精度有限、成本較高、依賴天氣條件低功耗節(jié)點設(shè)計節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、延長網(wǎng)絡(luò)壽命、降低運行成本節(jié)能與性能優(yōu)化的平衡、復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性問題數(shù)據(jù)融合與處理多源數(shù)據(jù)整合、智能化決策支持?jǐn)?shù)據(jù)處理算法復(fù)雜、模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足應(yīng)急監(jiān)測與預(yù)警洪水、污染災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警實時監(jiān)測能力不足、預(yù)警決策支持不夠通過以上技術(shù)手段的結(jié)合與優(yōu)化，基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)必將在水資源管理、環(huán)境保護和公共安全等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為社會發(fā)展和人民福祉提供重要支撐。1.3文章的研究意義在當(dāng)今這個信息化快速發(fā)展的時代，水利感知網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代水利建設(shè)的關(guān)鍵組成部分，其重要性日益凸顯。特別是在面對極端天氣事件頻發(fā)、水文環(huán)境復(fù)雜多變等挑戰(zhàn)時，高效、精準(zhǔn)的水利感知網(wǎng)絡(luò)對于防洪減災(zāi)、水資源管理以及生態(tài)環(huán)境保護等方面具有不可替代的作用。5G技術(shù)以其高帶寬、低時延的特性為水利感知網(wǎng)絡(luò)提供了強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，使得大量傳感器能夠?qū)崟r、穩(wěn)定地收集數(shù)據(jù)；而北斗系統(tǒng)則憑借其全球定位和高精度授時的能力，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。將這兩項先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建的水利感知網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集方面達(dá)到了前所未有的水平。然而在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的水利感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往面臨著功耗過高的問題。這不僅影響了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和通信質(zhì)量，還增加了能源消耗和維護成本。因此如何有效地降低水利感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗，提高其能效比，成為了當(dāng)前亟待解決的問題。本文的研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（一）理論價值本研究旨在深入探討5G與北斗技術(shù)在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，通過優(yōu)化節(jié)點設(shè)計來降低功耗。這將有助于豐富和發(fā)展無線通信與導(dǎo)航融合的技術(shù)理論體系，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有益的參考。（二）實踐意義隨著5G與北斗技術(shù)的不斷普及和應(yīng)用，水利感知網(wǎng)絡(luò)正迎來廣闊的發(fā)展前景。本文的研究成果將為實際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和指導(dǎo)，推動水利感知網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和升級，提高水利管理的智能化水平。（三）社會效益通過優(yōu)化水利感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗，不僅可以降低運行成本，還能減少能源消耗對環(huán)境的影響。此外提高水利感知網(wǎng)絡(luò)的性能還有助于提升防洪減災(zāi)的能力，保障人民生命財產(chǎn)安全，促進(jìn)社會和諧穩(wěn)定發(fā)展。本文的研究不僅具有重要的理論價值和實踐意義，還具有顯著的社會效益。2.相關(guān)背景知識2.15G技術(shù)概述第五代移動通信技術(shù)（5G）是當(dāng)前通信領(lǐng)域的最新進(jìn)展，它不僅顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸速率和連接容量，還為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用提供了強大的支持。5G技術(shù)通過其低延遲、高可靠性和廣連接特性，為水利感知網(wǎng)絡(luò)中的低功耗節(jié)點優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)。本節(jié)將詳細(xì)介紹5G的關(guān)鍵技術(shù)及其在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用優(yōu)勢。（1）5G關(guān)鍵技術(shù)5G技術(shù)主要包括三大頻段：低頻段（Sub-6GHz）、中頻段（毫米波，mmWave）和太赫茲（THz）。每種頻段都有其獨特的優(yōu)勢和適用場景?！颈怼空故玖?G不同頻段的技術(shù)參數(shù)對比。頻段帶寬（MHz）傳輸距離（km）數(shù)據(jù)速率（Gbps）延遲（ms）低頻段（Sub-6GHz）XXX501001中頻段（mmWave）XXX2-101-103-5太赫茲（THz）XXX10<11.1低頻段（Sub-6GHz）低頻段頻段（如700MHz-6GHz）具有較廣的傳輸距離和較好的穿透能力，適合大范圍的水利監(jiān)測應(yīng)用。例如，在大型水庫和河流的監(jiān)測中，低頻段可以提供穩(wěn)定的連接和較高的可靠性。1.2中頻段（毫米波，mmWave）中頻段頻段（如24GHz-100GHz）具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適合需要高帶寬的應(yīng)用場景。毫米波技術(shù)在短距離通信中表現(xiàn)優(yōu)異，例如在水電站的實時數(shù)據(jù)傳輸中，毫米波可以提供高速率、低延遲的通信服務(wù)。1.3太赫茲（THz）太赫茲頻段（如100GHz-1000GHz）具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和極低的延遲，適合對實時性要求極高的應(yīng)用場景。例如，在水災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中，太赫茲技術(shù)可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控。（2）5G在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用優(yōu)勢5G技術(shù)在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：低延遲：5G的端到端延遲低至1毫秒，可以滿足水利感知網(wǎng)絡(luò)中實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。例如，在水流監(jiān)測和水位監(jiān)測中，低延遲可以確保數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。高可靠性：5G技術(shù)通過其強大的網(wǎng)絡(luò)冗余和故障恢復(fù)機制，可以保證水利感知網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。例如，在水電站的監(jiān)控系統(tǒng)中，高可靠性可以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸不中斷。廣連接：5G技術(shù)支持每平方公里百萬級的設(shè)備連接，可以滿足水利感知網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點的需求。例如，在大型水庫的監(jiān)測中，廣連接可以確保每個監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)都能被實時采集和傳輸。低功耗：5G技術(shù)通過其先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，可以顯著降低低功耗節(jié)點的能耗。例如，通過動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率和休眠周期，可以延長低功耗節(jié)點的電池壽命。5G技術(shù)為水利感知網(wǎng)絡(luò)的低功耗節(jié)點優(yōu)化提供了強大的技術(shù)支持，可以有效提升水利監(jiān)測的效率和可靠性。2.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介?北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）?概述北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在為全球用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。北斗系統(tǒng)由三顆地球靜止軌道衛(wèi)星、三顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和一顆中圓地球軌道衛(wèi)星組成，覆蓋范圍從陸地到海洋，能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋。?主要功能定位：提供精確的位置信息，精度可達(dá)米級。導(dǎo)航：為交通工具提供路線規(guī)劃和導(dǎo)航服務(wù)。授時：為各種設(shè)備提供時間同步服務(wù)，確保時間的準(zhǔn)確性。?應(yīng)用領(lǐng)域交通運輸：用于車輛追蹤、船舶導(dǎo)航等。農(nóng)業(yè)：用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)機作業(yè)等。公共安全：用于救援、公安執(zhí)法等。通信：用于基站定位、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。氣象：用于氣象預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警等。?技術(shù)特點自主可控：完全自主知識產(chǎn)權(quán)，不受外部干擾。高可靠性：采用多種冗余技術(shù)和備份機制，確保服務(wù)的連續(xù)性。低成本：與GPS相比，北斗系統(tǒng)的建設(shè)和運營成本較低。兼容性：支持與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)互操作。?發(fā)展目標(biāo)北斗系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是建設(shè)一個全球覆蓋、功能強大、服務(wù)優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為中國乃至全球的經(jīng)濟社會發(fā)展提供有力支撐。2.3水利感知網(wǎng)絡(luò)概念及功能（1）水利感知網(wǎng)絡(luò)概念水利感知網(wǎng)絡(luò)是一種專門用于水文、水環(huán)境監(jiān)測的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它通過部署在江河、湖泊、水庫等水體邊緣的感知節(jié)點，實時收集水質(zhì)、水量、水位等環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和分析。該網(wǎng)絡(luò)利用5G通信技術(shù)的高速率、低延遲特性，以及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精確定位能力，實現(xiàn)對水資源的實時監(jiān)測和智能管理。通過水利感知網(wǎng)絡(luò)，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測水資源的變化趨勢，為水資源調(diào)度、防洪減災(zāi)、水資源保護等提供有力支持。（2）水利感知網(wǎng)絡(luò)功能數(shù)據(jù)采集與傳輸：感知節(jié)點通過傳感器實時監(jiān)測水體的各種參數(shù)，如水位、水溫、水質(zhì)等，并通過5G通信技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。定位與導(dǎo)航：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為感知節(jié)點提供精確的地理位置信息，有助于提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和效率。數(shù)據(jù)融合與分析：數(shù)據(jù)中心接收來自感知節(jié)點的數(shù)據(jù)，結(jié)合其他相關(guān)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析，為水資源管理提供決策支持。遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制：通過水利感知網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對水體的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，如調(diào)整水閘閘門開度、啟動泵站等，以滿足水資源的需求。預(yù)警與報警：通過對水文數(shù)據(jù)的實時分析和監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況，提前發(fā)出預(yù)警，減少災(zāi)害損失。（3）水利感知網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢高速率：5G通信技術(shù)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以快速傳輸大量數(shù)據(jù)，滿足水文監(jiān)測的需求。低延遲：5G技術(shù)的低延遲特性有助于實時傳輸數(shù)據(jù)，提高水文監(jiān)測的響應(yīng)速度。高精度：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高的定位精度，有助于提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。低功耗：5G技術(shù)和低功耗芯片的結(jié)合，使得水利感知節(jié)點能夠在長時間內(nèi)持續(xù)工作，降低能耗。（4）水利感知網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景水資源監(jiān)測：通過實時監(jiān)測水位、水量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，為水資源調(diào)度提供依據(jù)。防洪減災(zāi)：通過對洪水趨勢的預(yù)測，及時采取防洪措施，減少災(zāi)害損失。水資源保護：通過對水質(zhì)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)污染源，保護水資源環(huán)境。智慧農(nóng)業(yè)：在水利灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提高水資源利用效率。生態(tài)保護：通過監(jiān)測水體環(huán)境變化，為生態(tài)保護提供數(shù)據(jù)支持。通過以上分析，可以看出水利感知網(wǎng)絡(luò)在水利現(xiàn)代化中具有重要意義。隨著5G和北斗技術(shù)的不斷發(fā)展，水利感知網(wǎng)絡(luò)將在水文監(jiān)測、水資源管理等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。3.技術(shù)原理與原則3.1低功耗節(jié)點工作機制介紹基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)的低功耗節(jié)點（Low-PowerSensorNode,LPSN）旨在實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時最大限度地降低能耗。其工作機制主要圍繞以下幾個核心方面展開：能量收集與管理、數(shù)據(jù)傳輸策略、休眠喚醒機制以及與5G和北斗系統(tǒng)的協(xié)同。（1）能量收集與管理傳統(tǒng)傳感節(jié)點的主要能量瓶頸在于電池壽命有限，為實現(xiàn)低功耗，LPSN優(yōu)先采用能量收集技術(shù)（EnergyHarvestingTechnology,EHT），如太陽能（SolarEnergy）、水力動能（HydrokineticEnergy）、風(fēng)能（WindEnergy）等，將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為可供節(jié)點使用的電能。同時節(jié)點需配備高效能的電源管理單元（PowerManagementUnit,PMU），用于存儲、轉(zhuǎn)換和分配收集到的能量。考慮到能量收集的間歇性和不穩(wěn)定性，PMU的設(shè)計至關(guān)重要。其核心任務(wù)包括：能量存儲優(yōu)化：將不穩(wěn)定的間歇性能量平滑存儲于可充放電電池或超級電容器。使用超級電容器可減少電池充放電循環(huán)壓力。Estored=1?ηlossimesPcollectedimes能量調(diào)度策略：根據(jù)能量狀態(tài)（SoC,StateofCharge）動態(tài)決定節(jié)點的工作模式與活動頻率，確保在能量充足時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，在能量不足時進(jìn)入深度休眠狀態(tài)。指標(biāo)目標(biāo)實現(xiàn)手段能量收集效率(η_collect)高(>80%)優(yōu)化天線設(shè)計、選用高效率能量轉(zhuǎn)換器件（如太陽能電池板、壓電陶瓷）電源轉(zhuǎn)換效率(η_convert)高(>90%)采用同步整流技術(shù)、優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換電路拓?fù)潆姵爻浞烹娦?η_store)高(>85%)(對于電池)/高(>95%)(對于超級電容器)選擇低內(nèi)阻、高倍率充放電能力的儲能器件總體能量效率(η_total)高(>70%)綜合優(yōu)化收集、轉(zhuǎn)換、存儲各環(huán)節(jié)（2）數(shù)據(jù)傳輸策略數(shù)據(jù)傳輸是節(jié)點能耗的主要組成部分。LPSN通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸策略來降低功耗：參數(shù)自適應(yīng)調(diào)制：根據(jù)信道質(zhì)量（THANKS協(xié)議中的RSSI,SINR等指標(biāo)）、數(shù)據(jù)包重要性以及剩余能量水平，動態(tài)選擇調(diào)制編碼方案（ModulationandCodingScheme,MCS）。對于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)或信道良好時，選用低階調(diào)制（如QPSK,16-QAM）減少符號傳輸時間（TransmissionTimeInterval,TTI）。Ptrans=FmodimesBimesTTTI其中Ptrans為傳輸功耗，F(xiàn)mod數(shù)據(jù)融合與壓縮：在節(jié)點端進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，例如合并來自相鄰傳感器的時間序列數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮算法（如WaveletCompression）減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。Nackets_trans=利用5G網(wǎng)絡(luò)能力：非連接模式（NLAT）：適用于周期性、低頻次的數(shù)據(jù)上報場景，節(jié)點無需持續(xù)保持連接，可顯著節(jié)省UE（UserEquipment）功耗。休眠模式與eDRX參數(shù)優(yōu)化：利用5G的設(shè)備休眠（DeviceSleep）和非連續(xù)接收（Non-ContinuousReception,NCAR）功能，以及精確的增強確定性接入（EnhancedDiscontinuousReception,eDRX）參數(shù)配置，使節(jié)點在非通信時段進(jìn)入深度休眠，僅在預(yù)設(shè)間隙少量活動，降低空閑態(tài)功耗。uMIMO技術(shù)：若節(jié)點部署在密集區(qū)域，可考慮使用多天線技術(shù)（如uMIMO）提高頻譜效率，減少單個節(jié)點通信所需的平均功率。（3）休眠喚醒機制為最大化利用收集到的能量并規(guī)避網(wǎng)絡(luò)擁塞，LPSN設(shè)計有智能的休眠喚醒邏輯：基于觸發(fā)的喚醒：節(jié)點可配置多個事件觸發(fā)條件，如：內(nèi)部閾值監(jiān)測（如水位超限）外部事件（如通過鄰居節(jié)點傳來的特定指令或北斗短報文提示）定時喚醒（如每幾小時輪詢一次）級聯(lián)休眠模式：深度睡眠：最低功耗模式，時鐘關(guān)閉，僅保留少量維持所需功能（如能量采集監(jiān)測），喚醒周期長。淺度睡眠：較高功耗模式，部分外設(shè)激活，可快速響應(yīng)中等優(yōu)先級喚醒信號，喚醒周期較短。模式功耗水平喚醒時間主要功能適用場景深度睡眠極低分鐘/小時維持能量監(jiān)測、接收關(guān)鍵喚醒信號長期低活動數(shù)據(jù)淺度睡眠低秒/分鐘接收常用喚醒信號、執(zhí)行短期任務(wù)周期性數(shù)據(jù)采集活躍模式高<1秒數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、與其他節(jié)點交互數(shù)據(jù)密集處理喚醒過程由微控制器（MCU）根據(jù)預(yù)設(shè)策略和接收到的觸發(fā)信號控制，優(yōu)先喚醒所需最低的那個模式，減少喚醒功耗。喚醒后，節(jié)點需快速完成初始化，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和傳輸階段。（4）與5G和北斗系統(tǒng)的協(xié)同低功耗節(jié)點的特性使得其與5G和北斗系統(tǒng)的協(xié)同成為提升整體網(wǎng)絡(luò)效能的關(guān)鍵：定位與通信定位協(xié)同：北斗系統(tǒng)提供高精度的定位信息（BBFF信息服務(wù)或?qū)崟r動態(tài)RTK)，結(jié)合5G的網(wǎng)絡(luò)切片（NetworkSlicing）或地理圍欄（Geofencing）功能，可以實現(xiàn)：精準(zhǔn)區(qū)域監(jiān)測：僅對特定閾值下的傳感器或位于特定危險區(qū)域內(nèi)的傳感器切片進(jìn)行優(yōu)先級傳輸或低頻報告，顯著減少無效通信。故障預(yù)警聯(lián)動：異常節(jié)點（可能偏離預(yù)期位置）或大量鄰近節(jié)點異?？捎|發(fā)北斗短報文告警，通知維護人員，而正常節(jié)點則省電運行。時間同步：北斗系統(tǒng)提供高穩(wěn)定性的時間服務(wù)（PVT），為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點提供精確的時間戳，對于需要時間戳關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)、分布式事件檢測以及坐標(biāo)相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)至關(guān)重要。需求感知與資源調(diào)度：結(jié)合5G的邊緣計算（EdgeComputing）能力，可以將部分計算任務(wù)下沉到靠近傳感器節(jié)點的邊緣服務(wù)器執(zhí)行。邊緣側(cè)可以根據(jù)處理需求動態(tài)調(diào)整各節(jié)點的傳輸速率、喚醒頻率等策略，進(jìn)一步優(yōu)化功耗。基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點通過先進(jìn)能量管理、精細(xì)化數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化、智能休眠喚醒以及與衛(wèi)星導(dǎo)航和移動通信系統(tǒng)的深度協(xié)同，實現(xiàn)了在滿足監(jiān)測需求的同時，最大限度地延長了網(wǎng)絡(luò)運行周期，適應(yīng)了水利行業(yè)惡劣環(huán)境長期部署的應(yīng)用要求。3.2傳感技術(shù)在水利中的應(yīng)用（1）傳感器在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用在水利工程中，各種傳感器被廣泛用于監(jiān)測水流、水質(zhì)、水位、水文地質(zhì)狀況等關(guān)鍵參數(shù)。這些傳感技術(shù)的應(yīng)用有助于提升水資源管理和環(huán)境保護水平，近年來，新型傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合，推動了水利信息化建設(shè)的發(fā)展，為水利感知網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了技術(shù)支撐。下表列出了一些常見的傳感器類型及其在水利領(lǐng)域的具體應(yīng)用場景：傳感器類型應(yīng)用場景傳感器特點土壤水分傳感器土壤濕度監(jiān)測、土地管理測量土壤含水率及土壤濕度變化水質(zhì)監(jiān)測傳感器水體濁度、溶解氧、pH值監(jiān)測實時監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，確保飲水安全水位傳感器河流、水庫水位監(jiān)測測量水位高程，預(yù)測洪水風(fēng)險流量傳感器河流流量測量估算和預(yù)測水資源分配，水力發(fā)電葉綠素傳感器水質(zhì)評價與富營養(yǎng)化監(jiān)測檢測水體中葉綠素濃度光學(xué)多參數(shù)傳感器水體反射、漫射測量多重指標(biāo)同步監(jiān)測，提供科學(xué)數(shù)據(jù)水位計量設(shè)備水文站水位觀測提供河流水位連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)海洋聲學(xué)多普勒流速儀海洋流速、流向監(jiān)測高精度的水流動態(tài)監(jiān)測（2）新品傳感傳感技術(shù)與高動態(tài)應(yīng)用方式隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能（AI）等技術(shù)的迅速發(fā)展，新一代的傳感器正在水利工程中發(fā)揮越來越重要的作用。這些傳感器不僅能夠采集精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，而且能夠通過高級算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度分析和預(yù)測，提升了水利監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。高動態(tài)傳感器：例如高動態(tài)衛(wèi)星遙感技術(shù)的傳感器能夠捕捉到日夜和極端天氣條件下的地面狀況變化，更加適應(yīng)水利工程中對動態(tài)變化的監(jiān)測需求。融合傳感技術(shù)：如集成溫度、壓力、流量等多種傳感器的綜合監(jiān)測設(shè)備，可以提供更為全面的環(huán)境和水文參數(shù)。下表展示了一些融合型傳感器的示例：融合傳感器類型應(yīng)用場景關(guān)鍵參數(shù)溫度與水位融合傳感器地下水水位和水溫監(jiān)測溫度、水位、土壤熱導(dǎo)率壓力與流量融合傳感器管網(wǎng)壓力與流量測量壓力、流量、流速水質(zhì)與溶解氧綜合傳感器水質(zhì)在線檢測與溶解氧含量監(jiān)測溶解氧、濁度、pH值光學(xué)多參數(shù)與水質(zhì)傳感器水質(zhì)多參數(shù)與懸浮物濃度檢測水質(zhì)各項指標(biāo)、懸浮物濃度這些高動態(tài)、融合型的傳感技術(shù)不僅能提升數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確度，也有助于優(yōu)化水資源管理和決策過程。因此在構(gòu)建水利感知網(wǎng)絡(luò)時，須根據(jù)具體的水利工程需求，選擇合適的傳感器類型，同時不斷探索新技術(shù)，以確保水利感知網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。3.35G通信與北斗導(dǎo)航的數(shù)據(jù)傳輸（1）數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如下內(nèi)容所示：感知層：由部署在水利監(jiān)測點的低功耗傳感器節(jié)點組成，負(fù)責(zé)采集水位、流量、土壤濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層：包括北斗導(dǎo)航模塊和5G通信模塊，實現(xiàn)節(jié)點定位和數(shù)據(jù)無線傳輸。平臺層：數(shù)據(jù)中心接收處理傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲、分析和展示。（2）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議2.1北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式北斗導(dǎo)航模塊傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)格式如下：字段說明數(shù)據(jù)類型長度Header報頭Integer4TimeStamp時間戳UTC時間12Latitude緯度Double8Longitude經(jīng)度Double8Altitude高度Double8Quality定位質(zhì)量Integer4時間戳采用ISO8601標(biāo)準(zhǔn)，單位為微秒。2.25G通信數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)5G通信模塊的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如公式(3.1)所示：Packet其中：Header：5G報頭，包含傳輸控制信息CRC：循環(huán)冗余校驗碼，用于數(shù)據(jù)完整性校驗（3）傳輸性能優(yōu)化3.1數(shù)據(jù)壓縮算法基于LZ77算法的數(shù)據(jù)壓縮如公式(3.2)所示：LZ77其中：3.2傳輸周期優(yōu)化傳輸周期計算如公式(3.3)所示：T=μ3.3功耗管理策略采用動態(tài)功耗管理算法如【表】所示：工作模式傳輸速率(Mbps)功耗(mW)適用場景低功耗模式<1≤50靜態(tài)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)模式5150日常監(jiān)測高速模式50500突發(fā)事件監(jiān)測【表】不同工作模式參數(shù)對照表通過以上優(yōu)化措施，可有效降低基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功耗，延長節(jié)點工作壽命。4.低功耗節(jié)點設(shè)計思路4.1能效關(guān)系模型構(gòu)建為實現(xiàn)對水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點的能效優(yōu)化，必須首先構(gòu)建一個描述節(jié)點能量消耗與各關(guān)鍵因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型旨在量化分析節(jié)點在不同工作模式、通信協(xié)議及環(huán)境條件下的能耗特性，并為后續(xù)優(yōu)化策略提供理論依據(jù)。（1）能耗來源分析低功耗節(jié)點的能量消耗主要來源于以下三個核心模塊：模塊描述主要耗電部件/行為通信模塊負(fù)責(zé)與5G基站及北斗衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)5GNR調(diào)制解調(diào)器、北斗射頻芯片、功率放大器(PA)傳感模塊采集水文、環(huán)境等數(shù)據(jù)（如水位、流速、水質(zhì)）各類傳感器、信號調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換器計算與控制模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、協(xié)議棧運行、節(jié)點調(diào)度與管理微控制器(MCU)、存儲器(Memory)（2）能效關(guān)系模型節(jié)點的總能量消耗（Etotal）可視為其在特定工作周期（T）內(nèi)，不同狀態(tài)（如激活、空閑、休眠）下能耗的總和。我們定義節(jié)點的能效（η狀態(tài)功耗模型節(jié)點在時間t的瞬時功耗PtP一個完整工作周期內(nèi)的總能耗為：E在實際離散系統(tǒng)中，可簡化為：E其中Pi為第i種狀態(tài)的功耗，t通信能耗細(xì)化模型通信模塊是能耗主體，其傳輸能耗ETX與傳輸距離（d）、數(shù)據(jù)量（LE接收能耗ERXE3.綜合能效關(guān)系模型綜合考慮，我們建立以下能效關(guān)系模型：η其中：該模型表明，提升能效ηee的核心在于：最大化Lpayload，同時最小化分母中的各項能耗分量。特別是要優(yōu)化通信策略，降低遠(yuǎn)距離傳輸（高Eamp4.2通信協(xié)議優(yōu)化策略（1）協(xié)議分層與簡化為了提高通信效率，可以采用分層協(xié)議結(jié)構(gòu)。將通信協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在物理層，可以采用5G的低功耗技術(shù)，如LPDDM（Low-PowerDevice-to-DeviceMode）和FR1（FrequencyRange1）等；在數(shù)據(jù)鏈路層，可以采用TCP/IP協(xié)議族的簡化版本，如輕量級TCP（LighthouseTCP）；在網(wǎng)絡(luò)層，可以采用基于IGRP（InteriorGatewayRoutingProtocol）的優(yōu)化算法；在應(yīng)用層，可以根據(jù)水利感知需求定制特定的應(yīng)用層協(xié)議。（2）數(shù)據(jù)壓縮與編碼數(shù)據(jù)壓縮可以減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低功耗。在水利感知網(wǎng)絡(luò)中，可以采用常見的數(shù)據(jù)壓縮算法，如Huffman編碼、LZ77編碼等。同時可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以減少傳輸所需的時間和能量。（3）誤差控制誤差控制可以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在水利感知網(wǎng)絡(luò)中，可以采用糾錯編碼技術(shù)，如CRC（CyclicRedundancyCheck）和ARQ（AutomaticRepeatRequest）等。通過這些技術(shù)，可以降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率，提高通信可靠性。（4）無線資源調(diào)度5G網(wǎng)絡(luò)提供了豐富的無線資源調(diào)度機制，如動態(tài)頻譜分配、動態(tài)時隙分配等。可以通過優(yōu)化資源調(diào)度算法，提高無線資源的利用率，降低功耗。（5）節(jié)能切換策略在水利感知網(wǎng)絡(luò)中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量和能量消耗情況，動態(tài)切換不同的通信模式。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量較大時，可以使用5G的高帶寬和高傳輸速率；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量較小時，可以使用5G的低功耗模式；當(dāng)能量消耗較高時，可以切換到低功耗的通信模式，如LPDDM。（6）無人機與水面監(jiān)測站的通信協(xié)議優(yōu)化無人機與水面監(jiān)測站之間的通信需要考慮距離、信號傳輸質(zhì)量等因素?？梢圆捎米赃m應(yīng)調(diào)制解調(diào)器（AMM）技術(shù)，根據(jù)信號傳輸質(zhì)量動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式和編碼速率，以提高通信效率。（7）協(xié)議測試與優(yōu)化通過在實際應(yīng)用環(huán)境中測試不同通信協(xié)議，可以找出最優(yōu)的通信協(xié)議組合。通過不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，可以提高水利感知網(wǎng)絡(luò)的低功耗性能。?表格示例通信協(xié)議特點優(yōu)點缺點TCP/IP通用性高適用于多種應(yīng)用場景協(xié)議復(fù)雜，功耗較高LighthouseTCP簡化版TCP協(xié)議簡單，功耗較低傳輸效率較低IGRP內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議靈活性高協(xié)議復(fù)雜，實現(xiàn)難度較大Huffman編碼數(shù)據(jù)壓縮效率高適用于數(shù)據(jù)量較大的場景需要額外的計算資源LZ77編碼數(shù)據(jù)壓縮效率高適用于數(shù)據(jù)量較大的場景需要額外的計算資源?公式示例假設(shè)數(shù)據(jù)量為D，比特率為B，傳輸時間為T，則數(shù)據(jù)傳輸量為D=BT。功耗P與數(shù)據(jù)傳輸量D、比特率B和傳輸時間T的關(guān)系為P=4.3協(xié)同控制與調(diào)度機制在基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)中，低功耗節(jié)點的協(xié)同控制與調(diào)度是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。為實現(xiàn)節(jié)點資源的合理分配與能耗的最小化，本研究提出了一種基于博弈論和強化學(xué)習(xí)的協(xié)同控制與調(diào)度機制。（1）基于博弈論的節(jié)點能量均衡節(jié)點能量均衡是低功耗設(shè)計中的重要考量因素，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的壽命?？紤]到各節(jié)點的能量消耗與感知任務(wù)量直接相關(guān)，我們引入非合作博弈理論來構(gòu)建節(jié)點間的能量分配模型。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，每個節(jié)點的能量狀態(tài)為Ei（初始能量），傳輸數(shù)據(jù)量為Di。節(jié)點i在單位時間內(nèi)消耗的能量EcE其中k為能量消耗系數(shù)，t為通信持續(xù)時間。為實現(xiàn)能量均衡，假設(shè)每個節(jié)點i選擇一個傳輸功率Pi∈Pmin,PmaxU其中α和β為權(quán)重系數(shù)，用于平衡數(shù)據(jù)傳輸價值與能量消耗。通過求解納什均衡，可以找到每個節(jié)點的最優(yōu)傳輸功率，使得在其它節(jié)點策略不變的情況下，該節(jié)點無法通過單方面改變策略來提高自身收益。具體求解過程可借助迭代算法實現(xiàn)。（2）基于強化學(xué)習(xí)的節(jié)點任務(wù)調(diào)度除能量均衡外，任務(wù)調(diào)度也是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。傳統(tǒng)的集中式調(diào)度機制面臨通信開銷過大的問題，而分布式調(diào)度機制的決策效率不高。為此，本研究引入強化學(xué)習(xí)（RL）技術(shù)，各節(jié)點通過局部交互實現(xiàn)任務(wù)的協(xié)同調(diào)度。在強化學(xué)習(xí)模型中，每個節(jié)點被視為一個智能體（Agent），節(jié)點間的協(xié)同任務(wù)則構(gòu)成環(huán)境（Environment）。定義狀態(tài)空間S包括：本節(jié)點剩余能量Ei本節(jié)點待處理任務(wù)隊列Qi網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的能量狀態(tài)與任務(wù)量分布。動作空間A則包括各節(jié)點的可選策略，如：啟動感知任務(wù)。暫停感知任務(wù)。啟動與其他節(jié)點協(xié)作感知。智能體的目標(biāo)是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)選擇最優(yōu)動作，以最大化累積獎勵R。獎勵函數(shù)可定義為：R其中γ為折扣因子，ηi為任務(wù)完成效率，δ（3）5G與北斗的協(xié)同優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬低時延特性與北斗的定位導(dǎo)航能力為協(xié)同控制提供了基礎(chǔ)保障。5G網(wǎng)絡(luò)可實時傳輸各節(jié)點的能量狀態(tài)與任務(wù)需求信息，北斗則提供了節(jié)點間的絕對位置信息。利用這些信息，網(wǎng)絡(luò)可以：根據(jù)各節(jié)點的相對位置與能量狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整任務(wù)分配策略。通過5G網(wǎng)絡(luò)快速傳輸協(xié)作感知時需要的控制信號。利用北斗實現(xiàn)節(jié)點間的精準(zhǔn)時間同步，提高調(diào)度精度。具體的協(xié)同優(yōu)化策略見【表】：協(xié)同策略平臺特性預(yù)期效果能量狀態(tài)實時共享5G高帶寬準(zhǔn)確掌握各節(jié)點能量狀態(tài)，優(yōu)化任務(wù)分配基于位置的負(fù)載均衡5G+北斗將任務(wù)動態(tài)分配至鄰近高能量節(jié)點時延敏感任務(wù)優(yōu)先5G低時延保證關(guān)鍵任務(wù)（如洪水預(yù)警）的實時性自適應(yīng)協(xié)作感知5G+北斗根據(jù)節(jié)點分布動態(tài)調(diào)整協(xié)作感知范圍?小結(jié)通過結(jié)合博弈論和強化學(xué)習(xí)，本研究提出的協(xié)同控制與調(diào)度機制能夠?qū)崿F(xiàn)水利感知網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量均衡與任務(wù)高效調(diào)度。5G與北斗的協(xié)同應(yīng)用進(jìn)一步提升了策略的實時性與精度。該機制的有效性將在后續(xù)實驗中驗證。5.水利感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與拓?fù)湓O(shè)計5.1網(wǎng)絡(luò)層級劃分及基本架構(gòu)（1）層級劃分水利感知網(wǎng)絡(luò)基于分層技術(shù)，具體如下：感知控制層：負(fù)責(zé)下發(fā)控制命令信息，能夠與數(shù)據(jù)匯聚層進(jìn)行通信。該層主要包括以下單元組成（如內(nèi)容）：感知節(jié)點網(wǎng)關(guān)：負(fù)責(zé)匯聚單區(qū)域感知節(jié)點上傳的實時數(shù)據(jù)，并將其上行向骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸。單區(qū)域感知節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，由較多數(shù)量感知節(jié)點組成一個小的售賣區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)匯聚層：負(fù)責(zé)匯聚各個感知控制層的感知數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)以便后續(xù)分析使用。骨干網(wǎng)絡(luò)：骨干網(wǎng)絡(luò)是水利感知網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)承載感知數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)量控制命令信息的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)平臺層：利用大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和管理，架構(gòu)設(shè)計如內(nèi)容所示。下表簡要表示了本層級劃分的優(yōu)缺點。層次優(yōu)點缺點感知控制層感知控制層把感知節(jié)點的引起信息進(jìn)行分組傳播，局部信息變量集小，有利于新消息達(dá)到延遲。感知控制層下分布式數(shù)據(jù)控制，控制命令大量的上行，可能會影響骨干網(wǎng)效率。但是可通過優(yōu)化感知控制層的周期性集中采樣，減少上行時延，提升效率。數(shù)據(jù)匯聚層數(shù)據(jù)匯聚層將數(shù)據(jù)在同一個地方匯聚，有利于數(shù)據(jù)的集中處理和后續(xù)的分析。數(shù)據(jù)匯聚層不適合及時性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸，匯聚層數(shù)據(jù)存儲與帶寬延遲的矛盾需要合理解決。骨干網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)絡(luò)承載著控制層的數(shù)據(jù)上傳需求，能夠穩(wěn)定性和可靠性的保證數(shù)據(jù)傳輸。骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量龐大，分配不均勻影響感知節(jié)點數(shù)據(jù)上行效率。數(shù)據(jù)平臺層數(shù)據(jù)平臺層能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)的前處理和分析，并可以服務(wù)用于對農(nóng)業(yè)知名業(yè)的可視化監(jiān)控，實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)。城市各骨干網(wǎng)絡(luò)的連接需要協(xié)同步同，同時多個骨干網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)課建立需要進(jìn)一步研究和實施，異構(gòu)通信標(biāo)準(zhǔn)亟待統(tǒng)一。（2）基于五份與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)子層基本架構(gòu)5G技術(shù)與北斗技術(shù)是近期熱點話題，尤其是5G技術(shù)當(dāng)你推進(jìn)的聯(lián)網(wǎng)速度和穩(wěn)定程度令外界矚目，北斗導(dǎo)航技術(shù)是中國自主頒布的主流定位系統(tǒng)的偏差小、可靠性強，但其整體兼容力度還有待提升，綜合等因素本單元將以基于5G通信技術(shù)的水利感知節(jié)點為模型，以李麗黃河支流為測試地點為基礎(chǔ)，將目前水利部門在工程監(jiān)測、水資源監(jiān)測的應(yīng)用，以及根據(jù)其特點有針對的開展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)解決方案,利用5G網(wǎng)絡(luò)的鏡頭架構(gòu)和穩(wěn)定性等特點實現(xiàn)大范圍、高通量、低延時數(shù)據(jù)調(diào)取的特點,盡量拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻g。水利感知網(wǎng)絡(luò)在分解成多個感知控制層后需要構(gòu)建各個層的組網(wǎng)方式，如內(nèi)容所示，網(wǎng)絡(luò)在感知控制層由感知節(jié)點、感知節(jié)點網(wǎng)關(guān)和骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個完備的網(wǎng)絡(luò)場景?；?G通信技術(shù)的水利感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求依照水利感知網(wǎng)絡(luò)層級架構(gòu)需求對應(yīng)分解，如內(nèi)容所示。各個子層基本架構(gòu)配套對應(yīng)上方各層架構(gòu)要求。感知層：面向本單元的支持水務(wù)工程監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、河流管理的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計以及開展現(xiàn)場業(yè)務(wù)監(jiān)測條件下提案感知單元的設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)層：全覆蓋設(shè)計將針對水利感知業(yè)務(wù)的重點，對監(jiān)控場所進(jìn)行分損傷以及系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)計建設(shè);低成本、性能靈活，同時組件可操作性，制訂拓展性、規(guī)模型、三層模型網(wǎng)絡(luò)?；?G技術(shù)的水利感知建設(shè)領(lǐng)域理論提出在骨干網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)匯聚層、感知控制層的集成式核心網(wǎng)模型下，具體整合格局如內(nèi)容所示。5.2節(jié)點部署與布放的策略節(jié)點部署與布放策略是確保水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點高效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合理的部署與布放能夠有效降低能耗、提高數(shù)據(jù)采集精度并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。本節(jié)將詳細(xì)闡述節(jié)點部署與布放的具體策略。（1）部署原則節(jié)點部署應(yīng)遵循以下原則：覆蓋性原則：節(jié)點布放位置應(yīng)確保能夠覆蓋目標(biāo)水域的關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。功耗優(yōu)化原則：通過合理選擇節(jié)點的供電方式和部署高度，降低節(jié)點的能量消耗，延長其工作壽命。成本效益原則：在滿足監(jiān)測需求的前提下，選擇經(jīng)濟高效的部署方案，降低整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。維護便利原則：節(jié)點布放位置應(yīng)便于后續(xù)的維護和維修工作，減少運維難度。（2）部署高度與密度節(jié)點的部署高度和密度直接影響其感知范圍和能耗，根據(jù)實際水域的幾何特性和監(jiān)測需求，節(jié)點的部署高度h和密度d可以通過以下公式進(jìn)行計算：hd其中：E0ρtΩ為節(jié)點所需監(jiān)測的立體角（單位：sr）。?表格示例：不同水域的部署參數(shù)水域類型傳輸損耗系數(shù)ρt能量消耗閾值E0立體角Ω(sr)部署高度h(m)節(jié)點密度d(個/km2)河流4.02500.5103.9湖泊3.53000.382.5水庫3.82000.493.1（3）供電方式選擇節(jié)點的供電方式對其能耗和工作壽命有直接影響，常見的供電方式包括：太陽能供電：通過太陽能電池板為節(jié)點提供清潔能源。適用于光照充足的戶外環(huán)境。電池供電：通過安裝高性能電池為節(jié)點供電。適用于光照不足或維護困難的區(qū)域。5G網(wǎng)絡(luò)供電：通過5G網(wǎng)絡(luò)提供的能量收集技術(shù)（如功放背靠背技術(shù)）為節(jié)點供電。適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控場景。?太陽能供電系統(tǒng)配置太陽能供電系統(tǒng)的配置參數(shù)可以通過以下公式進(jìn)行估算：PE其中：Pextsolη為太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率（單位：%）。A為太陽能電池板的面積（單位：m2）。IextavgEextdailytexteff?公式示例假設(shè)某節(jié)點選用轉(zhuǎn)換效率為20%的太陽能電池板，面積為1.2m2，日均太陽輻射強度為200W/m2，有效工作時間為8小時，則其輸出功率和日均獲得的能量計算如下：PE（4）部署實施步驟現(xiàn)場勘查：對目標(biāo)水域進(jìn)行詳細(xì)勘查，確定監(jiān)測區(qū)域的關(guān)鍵節(jié)點和潛在障礙物。參數(shù)計算：根據(jù)勘查結(jié)果和公式、（5.2）計算節(jié)點的部署高度和密度。供電方案選擇：根據(jù)實際環(huán)境選擇合適的供電方式，并進(jìn)行系統(tǒng)配置。節(jié)點安裝：在選定位置安裝節(jié)點，并進(jìn)行初步調(diào)試。系統(tǒng)測試：對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，確保節(jié)點正常運行并滿足監(jiān)測需求。運維計劃：制定運維計劃，定期檢查節(jié)點工作狀態(tài)，及時進(jìn)行維護和更換。通過以上策略，可以有效優(yōu)化水利感知網(wǎng)絡(luò)的低功耗節(jié)點部署與布放，確保網(wǎng)絡(luò)的長期穩(wěn)定運行和高性能監(jiān)測。5.3拓?fù)鋭討B(tài)調(diào)整與優(yōu)化算法為適應(yīng)水利感知網(wǎng)絡(luò)動態(tài)多變的環(huán)境（如水文條件變化、節(jié)點能量波動、通信干擾等），本節(jié)提出一種面向5G與北斗融合網(wǎng)絡(luò)的低功耗節(jié)點拓?fù)鋭討B(tài)調(diào)整與優(yōu)化算法。該算法旨在通過智能拓?fù)淇刂疲胶饩W(wǎng)絡(luò)覆蓋、連通性與節(jié)點能耗，延長整體網(wǎng)絡(luò)壽命。（1）算法目標(biāo)與約束條件算法設(shè)計遵循以下多目標(biāo)優(yōu)化原則：優(yōu)化目標(biāo)描述最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間通過均衡節(jié)點能耗，避免關(guān)鍵節(jié)點過早失效維持覆蓋與連通性確保監(jiān)測區(qū)域覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)連通度不低于閾值最小化通信延遲利用5G低延遲特性，優(yōu)化路由跳數(shù)增強魯棒性結(jié)合北斗定位與授時，抵抗環(huán)境干擾導(dǎo)致的拓?fù)洳环€(wěn)定約束條件可表述為：能量約束：節(jié)點i的剩余能量Eires需滿足覆蓋約束：有效覆蓋比例Carea需滿足Carea≥連通約束：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容GV,E需保持至少k（2）動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化模型設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，節(jié)點集合V={v1,v2,...,max其中：Tnetwork為網(wǎng)絡(luò)預(yù)估生存時間，TCtotalPi為節(jié)點i的瞬時功耗，Pα,β,（3）算法流程算法采用周期性觸發(fā)與事件驅(qū)動相結(jié)合的方式運行，流程如下：初始化：收集北斗定位信息、節(jié)點剩余能量、5G鏈路質(zhì)量。評估階段：計算當(dāng)前覆蓋度C_current與連通度K_current。檢測是否出現(xiàn)節(jié)點能量預(yù)警或鏈路中斷事件。決策階段：if(C_current<C_th或K_current<k)then執(zhí)行拓?fù)湫迯?fù)與增強子算法。elseif(存在節(jié)點能量低于閾值)then執(zhí)行負(fù)載均衡與角色輪換子算法。else執(zhí)行節(jié)能休眠調(diào)度子算法。執(zhí)行階段：根據(jù)決策調(diào)整節(jié)點工作模式（活躍/監(jiān)聽/休眠）。更新路由表與鄰居表。等待下一周期或事件觸發(fā)。（4）關(guān)鍵子算法設(shè)計1）拓?fù)湫迯?fù)與增強子算法當(dāng)覆蓋或連通性不足時，算法基于北斗位置信息與5G信號強度，選擇冗余節(jié)點喚醒或調(diào)整節(jié)點發(fā)射功率，以填補覆蓋空洞。具體采用虛擬力導(dǎo)向調(diào)整策略，移動節(jié)點（如有）或調(diào)整靜態(tài)節(jié)點功率使感知范圍重疊區(qū)域優(yōu)化。2）負(fù)載均衡與角色輪換子算法定義關(guān)鍵度指標(biāo)KiK其中Diavg為節(jié)點i的平均數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量，Liquality為5G鏈路質(zhì)量評分，w13）節(jié)能休眠調(diào)度子算法在滿足覆蓋與連通前提下，最大化休眠節(jié)點數(shù)量。問題可建模為集合覆蓋問題的變種，采用貪心算法求解：優(yōu)先讓感知范圍重疊度高的節(jié)點進(jìn)入休眠。利用北斗同步授時實現(xiàn)休眠/喚醒的精準(zhǔn)同步，減少空閑監(jiān)聽能耗。（5）性能評估指標(biāo)指標(biāo)計算公式說明網(wǎng)絡(luò)生存周期T首個節(jié)點失效時間覆蓋保持率R實際覆蓋面積占比能耗均衡度B節(jié)點剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比拓?fù)湔{(diào)整開銷O單位時間內(nèi)拓?fù)湔{(diào)整次數(shù)通過上述算法，可實現(xiàn)水利感知網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)環(huán)境下的低功耗自適應(yīng)運行，有效結(jié)合5G的高帶寬、低延遲與北斗的高精度定位授時能力，提升網(wǎng)絡(luò)整體能效與可靠性。6.實驗設(shè)計與仿真分析6.1仿真場景設(shè)置與實驗?zāi)繕?biāo)仿真場景設(shè)置主要包括以下幾個方面：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c節(jié)點部署網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脴錉罨蚓W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點部署在特定區(qū)域（如河流流域、監(jiān)測站點等）。固定節(jié)點與移動節(jié)點的比例設(shè)置為3:1，移動節(jié)點的移動速度設(shè)置為隨機均勻分布（0-10m/s）。節(jié)點間距設(shè)置為XXXm，確保覆蓋典型的水利監(jiān)測場景。移動節(jié)點與環(huán)境參數(shù)移動節(jié)點的移動路徑預(yù)設(shè)為復(fù)雜的路網(wǎng)或隨機走路模式。環(huán)境參數(shù)包括節(jié)點的電池容量（XXXXmAh）、傳感器功耗（50mW）、通信功耗（50mW），以及環(huán)境溫度、濕度等影響能耗的因素。通信技術(shù)與協(xié)議5G通信技術(shù)模擬，支持高頻率通信和低延遲傳輸。北斗定位協(xié)議集成，確保節(jié)點定位精度（如水平誤差<5m）。傳感器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（如MQTT、HTTP）與通信技術(shù)集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與干擾網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置包括信道損耗、干擾信號、路徑折射等因素。增加仿真中的多用戶干擾（如同時連接多個節(jié)點），模擬實際場景中的復(fù)雜通信環(huán)境。?仿真目標(biāo)與評價指標(biāo)仿真目標(biāo)主要包括以下幾個方面：網(wǎng)絡(luò)性能評估評估網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、吞吐量（Throughput）、延遲（Latency）和網(wǎng)絡(luò)可靠性（Reliability）。通過網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)分析優(yōu)化方案對網(wǎng)絡(luò)性能的提升效果。能耗優(yōu)化評估優(yōu)化節(jié)點的能耗管理算法（如動態(tài)功耗調(diào)度、睡眠模式切換等），減少節(jié)點之間的通信能耗。評估優(yōu)化方案對節(jié)點總功耗的降低效果，確保節(jié)點長時間運行的可持續(xù)性。系統(tǒng)性能評估評估節(jié)點的處理能力（如數(shù)據(jù)處理速率）、數(shù)據(jù)傳輸效率（如數(shù)據(jù)傳輸延遲與容量比）和系統(tǒng)響應(yīng)時間。通過性能測試確保優(yōu)化方案能夠滿足水利監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實時性需求。安全性與可靠性評估驗證優(yōu)化方案對網(wǎng)絡(luò)安全（如數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證機制）和網(wǎng)絡(luò)可靠性（如節(jié)點故障恢復(fù)）的提升效果。在復(fù)雜環(huán)境下（如高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、頻繁節(jié)點故障）評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。?仿真評價指標(biāo)為驗證優(yōu)化方案的有效性，本文將采用以下評價指標(biāo)：吞吐量（Throughput）：節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸速率（單位：bps）。延遲（Latency）：數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點的平均時間（單位：ms）。網(wǎng)絡(luò)可靠性（Reliability）：網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛠G包率（單位：%）。能耗（EnergyConsumption）：節(jié)點總功耗（單位：mWh）。處理能力（ProcessingCapacity）：節(jié)點處理數(shù)據(jù)的能力（單位：數(shù)據(jù)包/秒）。數(shù)據(jù)傳輸效率（DataTransmissionEfficiency）：數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩▎挝唬罕忍?秒/節(jié)點）。安全性能（SecurityPerformance）：網(wǎng)絡(luò)安全機制的有效性（如數(shù)據(jù)加密率、攻擊防御能力）。通過仿真實驗，本文將詳細(xì)分析優(yōu)化方案在上述指標(biāo)下的表現(xiàn)，驗證其在水利感知網(wǎng)絡(luò)中的實際應(yīng)用價值。6.2節(jié)點自組網(wǎng)絡(luò)連通性與穩(wěn)定性測試（1）測試目的為了驗證基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點在自組網(wǎng)環(huán)境下的連通性與穩(wěn)定性，本次測試旨在通過模擬多種應(yīng)用場景，評估節(jié)點在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)據(jù)傳輸性能和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)能力。（2）測試方案2.1測試環(huán)境搭建搭建包含多個低功耗節(jié)點的水利感知網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，每個節(jié)點配備5G模塊和北斗定位系統(tǒng)。配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如帶寬、延遲、丟包率等，以模擬不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2.2測試場景設(shè)計設(shè)計多種測試場景，包括節(jié)點隨機分布、節(jié)點密集分布、節(jié)點稀疏分布等。在每種場景下，設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、網(wǎng)狀、樹形等。2.3測試指標(biāo)定義連通性：評估節(jié)點之間是否存在數(shù)據(jù)傳輸路徑。穩(wěn)定性：評估節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蚓W(wǎng)絡(luò)故障后的數(shù)據(jù)傳輸性能變化。（3）測試結(jié)果與分析測試場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連通性穩(wěn)定性隨機分布星型高高隨機分布網(wǎng)狀中中隨機分布樹形低低密集分布星型高高密集分布網(wǎng)狀高高密集分布樹形中中稀疏分布星型中低稀疏分布網(wǎng)狀中中稀疏分布樹形低低3.1連通性分析在節(jié)點隨機分布的場景下，星型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的連通性。密集分布場景下，連通性普遍較高，因為節(jié)點間距離較短，易于建立連接。稀疏分布場景下，連通性受到一定影響，尤其是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2穩(wěn)定性分析在密集分布場景下，節(jié)點間連接較為穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)故障后恢復(fù)較快。在稀疏分布場景下，節(jié)點間連接穩(wěn)定性降低，尤其是在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，故障后恢復(fù)時間較長。（4）結(jié)論與建議基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點在自組網(wǎng)環(huán)境下表現(xiàn)出不同的連通性與穩(wěn)定性特點。針對不同場景和需求，可調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)點的休眠機制和能量管理策略，以延長網(wǎng)絡(luò)的整體使用壽命。6.3性能參數(shù)優(yōu)化效果評估為驗證基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點優(yōu)化效果，本研究在典型水利監(jiān)測場景（水庫水位監(jiān)測、河道流量監(jiān)測）下搭建實驗平臺，部署優(yōu)化前后的節(jié)點原型，對比分析節(jié)點功耗、數(shù)據(jù)傳輸時延、北斗定位精度、網(wǎng)絡(luò)生存時間及數(shù)據(jù)采集成功率等關(guān)鍵性能參數(shù)，量化評估優(yōu)化效果。（1）節(jié)點功耗優(yōu)化效果節(jié)點功耗是衡量低功耗優(yōu)化效果的核心指標(biāo)，實驗中，采用高精度功率計分別采集優(yōu)化前（傳統(tǒng)節(jié)點）與優(yōu)化后（融合5G與北斗的低功耗節(jié)點）在休眠狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)的功耗，計算節(jié)點平均功耗。節(jié)點平均功耗計算公式如下：P【表】展示了優(yōu)化前后節(jié)點功耗對比結(jié)果。由表可知，優(yōu)化后節(jié)點休眠功耗降低至12μW，較優(yōu)化前（45μW）降低73.3%；數(shù)據(jù)采集功耗因采用低功耗傳感器優(yōu)化至35mW，較優(yōu)化前（80mW）降低56.3%；數(shù)據(jù)傳輸功耗依托5G的高效調(diào)制技術(shù)，降低至120mW，較優(yōu)化前（200mW）降低40.0%。平均功耗優(yōu)化后為18.5mW，較優(yōu)化前（52.7mW）降低64.9%，顯著降低了節(jié)點運行能耗?！颈怼績?yōu)化前后節(jié)點功耗對比功耗參數(shù)優(yōu)化前數(shù)值優(yōu)化后數(shù)值降低率休眠功耗(μW)451273.3%數(shù)據(jù)采集功耗(mW)803556.3%數(shù)據(jù)傳輸功耗(mW)20012040.0%平均功耗(mW)52.718.564.9%（2）數(shù)據(jù)傳輸時延優(yōu)化效果依托5G的高速率、低時延特性，優(yōu)化后節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時延顯著降低。實驗中，采集節(jié)點從數(shù)據(jù)采集完成到5G基站接收確認(rèn)的端到端時延，統(tǒng)計平均時延與時延抖動。數(shù)據(jù)傳輸時延改善率計算公式為：η【表】為優(yōu)化前后數(shù)據(jù)傳輸時延對比。結(jié)果顯示，優(yōu)化后平均端到端時延從優(yōu)化前的85ms降低至28ms，時延改善率達(dá)67.1%；時延抖動從優(yōu)化前的±20ms降至±8ms，提升了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，滿足水利實時監(jiān)測需求。【表】優(yōu)化前后數(shù)據(jù)傳輸時延對比時延參數(shù)優(yōu)化前數(shù)值優(yōu)化后數(shù)值改善率平均時延(ms)852867.1%時延抖動(ms)±20±8-（3）北斗定位精度優(yōu)化效果融合5G高精度授時后，北斗定位精度得到提升。實驗中，在水庫監(jiān)測點（靜態(tài)）及河道監(jiān)測點（動態(tài)，流速2m/s）分別測試優(yōu)化前后的定位誤差，定位誤差計算公式為：E式中，xmeas,y【表】展示了不同場景下的定位精度對比。靜態(tài)場景下，優(yōu)化后定位誤差從1.2m降至0.5m，精度提升率58.3%；動態(tài)場景下，誤差從2.5m降至1.0m，精度提升率60.0%，滿足水利設(shè)施形變監(jiān)測、移動目標(biāo)追蹤等高精度定位需求?！颈怼績?yōu)化前后北斗定位精度對比監(jiān)測場景優(yōu)化前誤差(m)優(yōu)化后誤差(m)精度提升率靜態(tài)1.20.558.3%動態(tài)2.51.060.0%（4）網(wǎng)絡(luò)生存時間與數(shù)據(jù)采集成功率優(yōu)化效果網(wǎng)絡(luò)生存時間與節(jié)點功耗直接相關(guān)，基于優(yōu)化后功耗降低，節(jié)點壽命顯著延長。生存時間計算公式為：T式中，Cbattery數(shù)據(jù)采集成功率反映節(jié)點在復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，定義為成功采集并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)占總采集數(shù)據(jù)包數(shù)的百分比。【表】為優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)生存時間與數(shù)據(jù)采集成功率對比。優(yōu)化后平均功耗降低64.9%，網(wǎng)絡(luò)生存時間從優(yōu)化前的72h延長至198h，延長率達(dá)175%；數(shù)據(jù)采集成功率在復(fù)雜電磁環(huán)境（如水庫周邊高壓線干擾）下從92%提升至98%，增強了網(wǎng)絡(luò)魯棒性?！颈怼績?yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)生存時間與數(shù)據(jù)采集成功率對比性能參數(shù)優(yōu)化前數(shù)值優(yōu)化后數(shù)值提升率/延長率網(wǎng)絡(luò)生存時間(h)72198175%數(shù)據(jù)采集成功率92%98%6.5%（5）綜合評估綜合上述參數(shù)優(yōu)化效果，基于5G與北斗的水利感知網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點在功耗、時延、定位精度、生存時間及可靠性方面均得到顯著提升。其中平均功耗降低64.9%，數(shù)據(jù)傳輸時延縮短67.1%，北斗定位精度提升58.3%~60.0%，網(wǎng)絡(luò)生存時間延長175%，數(shù)據(jù)采集成功率提高6.5%，驗證了優(yōu)化方案的有效性，可為水利感知網(wǎng)絡(luò)的長期、穩(wěn)定、高