具有時(shí)空多變性的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議研究.pdf

1、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network,簡(jiǎn)稱UASN)是指將能耗低、低成本、具有通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)部署到監(jiān)測(cè)海域,節(jié)點(diǎn)以無(wú)線自組織的方式構(gòu)成的分布式水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被廣泛的應(yīng)用在海洋資源勘探、海洋信息監(jiān)測(cè)、水下目標(biāo)跟蹤和定位等領(lǐng)域,具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義,并逐漸成為當(dāng)前信息科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　 本文分析了水聲信道特性對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響,

2、從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和時(shí)間同步機(jī)制三方面對(duì)基礎(chǔ)協(xié)議設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的、通用的水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),提出了適應(yīng)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)空多變性、高誤碼率和高延遲特點(diǎn)的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議(MAC)和時(shí)間同步算法。具體的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處包括以下幾個(gè)方面:
　　 1、針對(duì)水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信受限和異構(gòu)互聯(lián)問(wèn)題,分析已提出的容遲網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),指出由于其通用性差,不適用于水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)而研究水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)的典型應(yīng)用場(chǎng)景和基本特征,提出可擴(kuò)展的、通用的新型容遲網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),研究體系結(jié)構(gòu)的各層在組網(wǎng)通信中的作用和對(duì)協(xié)議設(shè)計(jì)的需求,指出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 2、針對(duì)水下三維網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分析三種不同通信模式對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸方向和傳輸時(shí)延的影響,研究節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單位圓干擾模型,推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置和節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配的函數(shù)關(guān)系,提出了基于三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的集中式MAC協(xié)議:USS-TDMA.USS-TDMA

4、算法采用沖突避免機(jī)制,由基站管理時(shí)間片分配,并通過(guò)廣播同步消息保持全網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)行,能極大地提高水聲信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低時(shí)延。
　　 3、研究TDMA算法中節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配的本質(zhì)規(guī)律,提出一種能量高效的分布式MAC協(xié)議:UD-TDMA。UD-TDMA算法將求解并發(fā)通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解極大獨(dú)立集的理論問(wèn)題,設(shè)計(jì)分布式算法獲得每輪發(fā)送節(jié)點(diǎn)的極大獨(dú)立集,進(jìn)而確定節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配和發(fā)送周期。算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n),其中,n為2

5、跳鄰居節(jié)點(diǎn)集的度的最大值。通過(guò)理論分析、仿真試驗(yàn),證明UD-TDMA算法的可行性和有效性,驗(yàn)證UD-TDMA的性能和效率。
　　 4、針對(duì)水下節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳播時(shí)延動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題,研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)傳播延遲的影響規(guī)律,建立節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和傳播延遲的關(guān)系模型,提出適用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度時(shí)間同步算法:E2DTS。E2DTS通過(guò)求解相鄰數(shù)據(jù)包的接收/發(fā)送時(shí)間差值,采用線性回歸方法估計(jì)時(shí)間漂移率和時(shí)間偏移,減少了數(shù)據(jù)交換過(guò)程