基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究

论文摘要

水下无线传感器网络的节能问题一直是近年来大家研究的热点,涌现出了不少与数据处理相关的组网协议技术和研究成果。目前,水下无线传感器网络主要利用水声进行通信,网络节点依靠声波来传递信息,水声换能器成为必不可少的部件。由于柱形换能器可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器,是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型,因此更适合在浅海中使用。本文研究一种适用于柱形换能器的无线传感器网络组网协议,建立网络理论分析模型,提出适用于水下无线传感器网络的数据传输控制方法,并针对给出的网络部署模型对其MAC层协议进行研究,提出新的路由传输机制和节点定位方法,通过仿真验证其有效性。论文的主要研究内容包括：1、抽象基于换能器的水下节点,建立水下节点的通讯模型,定义节点的部署概率和换能器概率,给出两节点间连通概率的计算公式,并通过仿真研究换能器基本参数与节点连通概率之间的关系,从而得出换能器发射角是影响换能器概率的主要因素。本文提出了适用于水下稀疏部署的固定部署模型,对于给定区域,给出节点部署密度与节点通讯概率之间的关系；对于水下节点的随机稠密部署,给出了节点部署密度与节点通讯概率之间的关系。2、在结合第一部分给出的连通概率的基础上,针对水下网络特点,提出适应此网络模型的MAC协议算法。第一种方法是根据节点连通概率确定节点之间发包重传次数,在此基础上采用RTS/CTS机制进行通信建立；第二种方法是进一步考虑降低节点能量消耗,确定合理的休眠机制,最后通过仿真验证了算法的有效性。3、针对本文提出的固定部署和随机部署,分别给出了基于固定部署和随机部署的路由转发协议。对于固定部署,基于最短路径的原则,建立从源节点到目的节点多条路径来实现能量的平衡。为了提高路由算法的自适应性,当路径上有节点损坏时,通过寻找损坏节点附近的新的节点来替代损坏节点以保持路径的有效性,从而提高了路由的可靠性和网络的吞吐量,并通过仿真验证了其有效性。对于随机部署,考虑节点间的连通概率、节点的剩余能量以及与目标节点之间的距离等因素,给出了转发节点的选择依据,从而减少节点的盲目转发,同时每个节点通过维护转发节点排除表来减少选择邻居节点时的计算量,通过仿真显示该协议可以使得网络能量平稳下降,有效的延长网络的生命周期。4、定位部分利用了声波幅度的有关特性和第一部分连通概率与距离的关系,分别提出了一种测距方法,并应用到定位方法中。第一种方法是利用了声波在水下传播时幅度衰减和距离的关系,进而推导出一个有关距离和幅度的公式,然后利用三边定位的方法进行定位；第二种方法使用移动节点依据了节点的连通概率来推算出两节点之间的距离,定位时也采用三边定位的方法确定未知节点位置,最后通过实验和仿真验证了这些定位方法的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 陆地无线传感器网络
• 1.1.2 水下无线传感器网络
• 1.1.3 柱形换能器及通信特点
• 1.2 国内外现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 连通性与部署分析
• 2.1 概述
• 2.2 模型假设
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 节点运行模型
• 2.2.3 换能器通讯模型
• 2.3 网络的连通性分析
• 2.3.1 节点的数学描述
• 2.3.2 两节点的连通性分析
• 2.3.3 两节点的连通性实例分析
• 2.4 二维部署分析
• 2.4.1 平面确定性部署
• 2.4.2 平面确定性部署仿真分析
• 2.4.3 平面随机部署
• 2.4.4 平面随机部署仿真分析
• 2.5 三维空间部署分析
• 2.5.1 空间确定性部署
• 2.5.2 空间确定性部署仿真分析
• 2.5.3 空间随机部署
• 2.5.4 空间随机部署仿真分析
• 2.6 本章小结
• 3 MAC协议
• 3.1 目前水下传感器网络MAC协议及存在问题
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 水下无线传感器网络MAC的挑战
• 3.1.3 水下无线传感器网络的MAC协议设计时需注意的要点
• 3.1.4 几种典型MAC协议分析
• 3.2 一种基于连通概率的水下传感器网络MAC协议
• 3.2.1 水下无线传感器网络模型
• 3.2.2 协议介绍
• 3.2.3 仿真
• 3.3 一种基于休眠的水下传感器网络MAC协议
• 3.3.1 协议介绍
• 3.3.2 仿真
• 3.4 本章小结
• 4 路由分析
• 4.1 概述
• 4.2 相关研究
• 4.2.1 基于位置的路由
• 4.2.2 能量有效的路由
• 4.3 固定部署的路由分析
• 4.3.1 固定部署模型的路由建立
• 4.3.2 基于能量均衡的自适应算法
• 4.3.3 仿真
• 4.4 随机部署的路由分析
• 4.4.1 基于连通概率的能量有效的转发算法
• 4.4.2 仿真
• 4.5 本章小结
• 5 定位
• 5.1 概述
• 5.2 定位性能参数
• 5.3 定位技术分类及典型算法
• 5.3.1 基本方法
• 5.3.2 分类
• 5.3.3 无线传感器网络中的测距技术
• 5.3.4 典型算法举例
• 5.4 一种基于幅度衰减测距的定位算法
• 5.4.1 基于幅度衰减测距方法
• 5.4.2 信号转换、传输和处理的流程
• 5.4.3 实验设计
• 5.5 一种基于移动节点和连通概率的定位算法
• 5.5.1 问题模型
• 5.5.2 节点移动方式
• 5.5.3 未知节点定位算法
• 5.6 本章小结
• 6 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 作者论文发表情况、参与项目及所获奖励