三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由與定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著陸地上資源的日益枯竭，人類(lèi)逐漸將目光轉(zhuǎn)向海洋，各式各樣的海洋活動(dòng)也蓬勃發(fā)展起來(lái)。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地支撐人類(lèi)的各種海洋活動(dòng)，因而吸引著越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)展水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在聲波通信、數(shù)據(jù)路由、節(jié)點(diǎn)定位等方面。但水下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨帶寬窄、延時(shí)高、能量受限和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等挑戰(zhàn)，這些都制約著水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用。
　　本文主要研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由和節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題。水下傳感

2、器網(wǎng)絡(luò)路由主要考慮包投遞率、平均端到端延時(shí)和能量消耗等指標(biāo)。在實(shí)際的路由設(shè)計(jì)過(guò)程中，這幾個(gè)路由指標(biāo)往往是相互制約的。VBF（Vector Based Forwarding）協(xié)議是一種定向泛洪的路由協(xié)議，其能夠很好地滿(mǎn)足水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的要求，且具有較好的魯棒性。相比于傳統(tǒng)的泛洪協(xié)議，VBF協(xié)議能夠控制參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，進(jìn)而有效地降低路由的能量消耗。但VBF協(xié)議需要已知節(jié)點(diǎn)的位置信息，之前對(duì)VBF協(xié)議的研究通常都假設(shè)位置信息已知，可

3、是對(duì)于許多水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)位置信息是很難獲取的。因此，需要借助定位手段來(lái)對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。
　　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位通常利用TOA測(cè)距的方式。這主要是因?yàn)樗侣暡ǖ膫鬏斔俣缺汝懙厣想姶挪ǖ膫鬏斔俣鹊?個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，對(duì)于節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的同步要求相對(duì)較低。本文同樣利用TOA測(cè)距的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位，對(duì)于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)部署在海面上的情形，采用擴(kuò)散定位的方式完成深海節(jié)點(diǎn)的定位，這種方法能夠保證絕對(duì)多數(shù)的節(jié)點(diǎn)完成定位過(guò)程，但隨著網(wǎng)絡(luò)定

4、位的進(jìn)行，會(huì)存在定位誤差的擴(kuò)散問(wèn)題，即深度越大的節(jié)點(diǎn)其定位誤差也通常較大。
　　本文對(duì)三維動(dòng)態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并基于這一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于定位的VBF路由協(xié)議。基于定位的VBF路由協(xié)議能夠周期性地更新網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的位置信息，有效適應(yīng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。此外，為進(jìn)一步降低VBF協(xié)議的通信能耗，本文在數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，引入延時(shí)控制和貪婪算法，在保持較高的包投遞率的基礎(chǔ)上，顯著改善了路由過(guò)程中的能量消耗

5、問(wèn)題。
　　定位唯一性問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)定位的基礎(chǔ)問(wèn)題。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境較為復(fù)雜，信號(hào)傳輸過(guò)程中容易受到多徑效應(yīng)的影響，且節(jié)點(diǎn)通常具有更遠(yuǎn)的傳輸范圍和一定的移動(dòng)性，這些因素都會(huì)導(dǎo)致水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位誤差一般高于陸地上的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)絡(luò)定位的唯一性問(wèn)題也會(huì)更加的突出。翻轉(zhuǎn)歧義是一種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)定位不唯一問(wèn)題，其會(huì)造成較大的定位誤差，且隨著誤差的傳播，部分或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)歧義。
　　本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)定位中的翻轉(zhuǎn)歧

6、義現(xiàn)象進(jìn)行研究，首先從二維的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出發(fā)，分析并推導(dǎo)了真實(shí)測(cè)距的定界范圍，并提出了一種基于測(cè)距誤差門(mén)限的翻轉(zhuǎn)歧義檢測(cè)算法。然后針對(duì)三維的情形，借助于壓力傳感器等輔助手段獲取節(jié)點(diǎn)的深度信息，進(jìn)而將三維的翻轉(zhuǎn)歧義問(wèn)題轉(zhuǎn)化到未知節(jié)點(diǎn)所在的深度平面內(nèi)進(jìn)行研究。采用與二維類(lèi)似的分析方法，將本文的翻轉(zhuǎn)歧義檢測(cè)算法推廣到三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的情形下。仿真結(jié)果表明，本文提出的翻轉(zhuǎn)歧義檢測(cè)算法能夠有效地避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中的翻轉(zhuǎn)歧義現(xiàn)象，提高水下傳感器節(jié)