水声传感器网络可靠路由协议的研究

论文摘要

水声传感器网络是一门新兴的网络技术。它是一种水下无缆通信网络,通常由声连接的海底传感器节点、自主式水下运载器和作为主节点的海面站组成的水声无线通讯网络。它们被部署在特定的区域执行合作监视任务。主要应用于对水下传感器网络所覆盖的区域进行中长期的水下预警、目标检测、海洋水文环境要素监测等,其广阔的应用前景,引起了学术界和军事界的高度重视。由于水下信道的复杂性,节点之间的链路质量受到环境噪声干扰和多普勒频移,扩散等其他因素的影响。这些干扰严重影响了水声传感器网络的数据传输速率、数据通信的可靠性、有效的通信距离、网络的吞吐量和能量消耗。因此路由协议的设计应该保证在耗能较小的情况下,网络能够实现自我配置、自我适应和节点失效后的快速恢复。本文首先介绍了水声传感器网络的基本概念、特点、通信信道特征、体系结构以及水声传感器网络的应用前景及发展问题;接着分析了典型的无线传感器网络的路由协议;然后对无线传感器网络路由协议的相关问题进行了深入的研究,以提高数据包传送的可靠性、减少网络的能量消耗为出发点,以提高水下声学传感器网络的效率为目的,提出了一种适用于水下环境的能量有效的可靠路由协议,并通过理论分析和仿真验证了这些协议的良好性能和可行性。为了减少通信和能量开销,达到可靠传输的目的,本文提出一个多跳的水声传感器网络可靠路由算法。该算法从路由树的初始化,每个节点的路由表管理,路由选择,路由更新以及路由树深度优化这几个方面分别描述,并且提出了链路失败、节点死亡、丢包检测的处理方法,使得每个数据包能够顺利的到达基站。在路由初始化阶段引入随机延迟以启动初始化过程,加快了路由建立并且节省了建树阶段控制数据包的数量,每个节点从路由树的长度、下一跳节点的剩余能量以及链路质量三个方面考虑是否将一条路由写入自己路由表,提出了一个路由替代算法将最优的路由写入路由表,保证数据包沿着最好的路由从节点发送到基站,减少了数据包的丢失,提高了数据包传送的可靠性。路由选择算法保证了节点发送数据沿着最好的链路进行,并且不会形成环路。还考虑了节点缓冲区的大小,避免了死锁。路由更新策略在MAC层的CTS/RTS数据包中加入路由更新信息,及时的更新路由表,避免了数据包冲突,并且节省了能量。通过最小化内部节点的能量消耗,优化了路由树的深度,减少了整个网络的能量消耗,延长了网络生命周期。最后对本文提出的协议和已经存在协议的性能进行了比较,从网络中节点数目对数据包成功传输率、数据包延迟和每个数据包的平均能量消耗的影响三个方面进行了仿真试验。结果表明本文提出的算法保证数据包能够有效可靠的发送到基站,减少了重传的次数,缩短了数据包的延迟,最小化网络的能量消耗,延长网络生命周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 引言
• 1 水声传感器网络
• 1.1 水声传感器网络综述
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 水声传感器网络的特点
• 1.1.3 水声通信信道的特征
• 1.2 水声传感器网络的体系结构
• 1.2.1 水声传感器网络的分层结构
• 1.2.2 水声传感器网络的拓扑结构
• 1.3 水声传感器网络的应用前景
• 1.4 水声传感器网络的现状及其发展
• 2 典型路由协议分析
• 2.1 路由协议的设计目标及性能指标
• 2.2 路由协议分类
• 2.3 典型的路由协议
• 2.3.1 能量感知路由
• 2.3.2 基于查询的路由
• 2.3.3 地理位置路由
• 2.3.4 可靠路由协议
• 2.4 本章小结
• 3 能量有效的可靠路由协议（EER）
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.2.1 研究背景
• 3.2.2 MAC 协议
• 3.2.3 能量消耗模型
• 3.3 EER 路由协议
• 3.3.1 路由树的建立
• 3.3.2 路由表管理
• 3.3.3 路由选择
• 3.3.4 路由更新
• 3.3.5 路由树深度的优化
• 3.4 路由维护
• 3.4.1 链路断开维护
• 3.4.2 丢包检测
• 3.5 本章小结
• 4 EER 路由协议仿真及性能分析
• 4.1 仿真环境
• 4.2 衡量标准
• 4.3 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文