水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究.pdf

1、海洋區(qū)域占地球表面積的70％以上，世界上一半的人口居住在沿海區(qū)域的100km之內(nèi)。海洋不但給人類提供許多自然資源，而且在運(yùn)輸、災(zāi)難預(yù)防、商業(yè)開(kāi)發(fā)、科學(xué)探索、軍事防御和戰(zhàn)略部署等方面起到至關(guān)重要的作用。隨著陸地資源的不斷減少，人類開(kāi)始重視海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用。然而，由于海洋的覆蓋區(qū)域巨大而且水下環(huán)境極其惡劣，傳統(tǒng)探索海洋的方法不適于深海區(qū)域的研究，因此當(dāng)前人類所探索的海洋區(qū)域不足總區(qū)域的10％。為了完成水下惡劣環(huán)境下的探索任務(wù)，水聲傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到了研究人員和產(chǎn)業(yè)人士的高度重視，特別是那些研究陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)者和專家。由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著部署稀疏、能量約束、高度移動(dòng)性、傳播速率低等諸多挑戰(zhàn)，因此作為組網(wǎng)技術(shù)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　本文討論了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的可靠性問(wèn)題、能量約束以及端到端時(shí)延等關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)了三個(gè)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　首先，為了提高節(jié)點(diǎn)均勻分布、單

3、sink網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性同時(shí)降低端到端的時(shí)延、能量消耗，提出了基于下一跳轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域和下一跳到sink剩余距離的路由協(xié)議。算法在計(jì)算節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)時(shí)，同時(shí)考慮了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的體積和下一跳到sink剩余距離的數(shù)學(xué)期望，從而有效地提高每一跳的傳輸可靠性和降低端到端時(shí)延以及能量開(kāi)銷。另外，提出了累積傳播距離和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)2個(gè)性能指標(biāo)，用于輔助說(shuō)明仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出算法的有效性。
　　其次，為了減少重復(fù)數(shù)

4、據(jù)包的數(shù)量和提高每一跳的能量效率，針對(duì)單sink體系結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，在VBF基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)、逐跳地調(diào)整虛擬管道半徑的路由協(xié)議AHH-VBF。AHH-VBF根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)與虛擬矢量的距離確定虛擬管道的半徑，減少重復(fù)數(shù)據(jù)包的數(shù)量;同時(shí)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)與自身之間的距離確定合適的傳輸功率，在保證可靠性的情況下減少能量的開(kāi)銷。為了減少控制包所產(chǎn)生的開(kāi)銷，根據(jù)局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特點(diǎn)提出了鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制，并根

5、據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓俣仍O(shè)計(jì)鄰居請(qǐng)求數(shù)據(jù)包之間的發(fā)送時(shí)間間隔。最后提出了傳播偏移因子和有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目?jī)蓚€(gè)性能指標(biāo)，用于輔助說(shuō)明仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用NS-3仿真工具對(duì)數(shù)據(jù)包交付率、能量開(kāi)銷和端到端時(shí)延三個(gè)性能指標(biāo)與經(jīng)典的路由協(xié)議進(jìn)行比較，驗(yàn)證AHH-VBF的有效性，同時(shí)測(cè)試了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。
　　最后，針對(duì)多sink體系結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了基于深度加權(quán)和轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域劃分的路由協(xié)議WDFAD-DBR。為了減少局部稀

6、疏區(qū)域遇見(jiàn)空洞的概率，在計(jì)算數(shù)據(jù)包持有時(shí)間時(shí)不僅考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的深度，而且考慮了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度。其次，為了減少局部稠密區(qū)域的重復(fù)數(shù)據(jù)包數(shù)量，根據(jù)節(jié)點(diǎn)密度和鏈路質(zhì)量利用克洛三角形把轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域劃分為主轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域和輔助轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)，在保證傳輸可靠性的情況下減少重復(fù)數(shù)據(jù)包的數(shù)量。而且，針對(duì)多sink體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也提出了相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制減少由于控制包所產(chǎn)生的額外開(kāi)銷;同時(shí)對(duì)控制包ACK在接收端的沖突概率進(jìn)行了理論分析。在仿真實(shí)驗(yàn)中，除了與經(jīng)典