水下无线传感器网络的研究和设计

论文摘要

随着我国在海洋商业开发和海洋军事领域的飞速发展,水下无线传感器网络成为一个新的研究热点,它在海洋数据收集、污染监测、灾难预报、辅助导航以及水下军事防御等方面都有着十分广泛的应用。水下声信道存在时延大而且易变、严重的多径效应以及多普勒频率偏移等问题,因此设计一个高可靠性、高吞吐量、低能耗的水下无线传感器网络是一项具有很强挑战性的工作。本文采用了分簇网络与多跳式网络相结合的方式,设计出水下无线传感器网络的拓扑结构,克服了网络路由算法复杂和能耗大等缺点,并增大了网络的容量和通信效率,更有利于应用到大中型水下网络的设计中。接着,通过对水下声信道的模型和统计特性进行具体分析,分别采用MFSK和MPSK进行节点间的数据传输。然后用Matlab进行仿真,并根据仿真得出的信噪比和误码率情况,本文还使用了一种频率分组编码的方法来改进MFSK的多径传输特性。由于水下的传感器节点不易更换,节点的节能性研究也十分重要。本文通过分析传感器网络及节点各部分的能耗情况,对多种节能方案进行了讨论,把基于分簇算法的能量优化策略应用于本文所设计的水下无线传感器网络的分簇模型中。最后对不同算法的能量消耗情况进行了比较,从而证明了该网络节能算法的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 水下无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络
• 2.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.2 传感器节点组成结构
• 2.2 水下无线传感器网络
• 2.2.1 水下无线传感器网络的特点
• 2.2.2 水下无线传感器网络通信协议栈
• 2.2.3 水下无线传感器网络关键技术
• 2.2.4 水下无线传感器网络面临的问题与挑战
• 第三章 水下信道特性分析
• 3.1 水下信道模型
• 3.2 多径传输的统计特性分析
• 3.2.1 信道冲击响应的统计特性
• 3.2.2 概率分布
• 3.3 频率选择性衰落信道分析
• 第四章 水下无线传感器网络拓扑结构设计
• 4.1 网络拓扑结构设计的意义
• 4.2 网络拓扑结构的分类
• 4.2.1 平面拓扑结构
• 4.2.2 分级拓扑结构
• 4.3 水下无线传感器网络拓扑结构设计
• 第五章 水下传感器节点间通信技术的设计与仿真
• 5.1 水下传感器节点结构
• 5.2 节点间的通信系统组成
• 5.3 水下数字调制原理
• 5.3.1 多进制相移键控（MPSK）调制原理
• 5.3.2 MFSK调制原理
• 5.4 QPSK和MFSK在水下信道的仿真及比较
• 5.5 MFSK抑制多径的改进编码方法
• 第六章 节能优化策略
• 6.1 无线传感器网络能耗分析
• 6.1.1 传感器节点的能耗分析
• 6.1.2 系统总能耗
• 6.2 无线传感器网络节能策略
• 6.2.1 节点级的节能策略
• 6.2.2 网络级的节能策略
• 6.3 水下无线传感器网络的能量优化策略
• 6.3.1 水下无线传感器网络最优簇首数计算
• 6.3.2 基于分簇算法的能量优化策略
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 已发表论文