水下傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下環(huán)境中應(yīng)用的一種延伸，在民用和軍事等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，例如水下石油礦產(chǎn)資源探測(cè)，水下環(huán)境監(jiān)測(cè)，水下物種跟蹤與保護(hù)，海洋地震海嘯災(zāi)難預(yù)報(bào)，以及反潛艇入侵檢測(cè)，水下協(xié)同作戰(zhàn)等。近年來(lái)，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究引起了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和軍界的極大關(guān)注，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家相繼投入巨資進(jìn)行研究，希望能在未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防上掌握主動(dòng)權(quán)。因此，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全具有戰(zhàn)略性意義。

2、
　　 相比陸地?zé)o線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還存在很多挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，水聲通信是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式，而水聲信道具有傳播時(shí)延長(zhǎng)、信道帶寬低和高信道錯(cuò)誤率的缺點(diǎn)，陸地?zé)o線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時(shí)效率低。在定位方面，無(wú)線(xiàn)電波在水下衰減快，陸地?zé)o線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的精確位置參考設(shè)備如GPS不能在水下應(yīng)用，因此在水下特別是深水環(huán)境里很難實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)精確定位，無(wú)法進(jìn)行物體跟蹤、災(zāi)難預(yù)報(bào)和入侵報(bào)警

3、等應(yīng)用。此外，大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生特性不穩(wěn)定的緊急突發(fā)數(shù)據(jù)，需要陸地傳輸網(wǎng)絡(luò)提供QoS(Quality of Service)支持，然而現(xiàn)有的陸地傳輸網(wǎng)絡(luò)一般不對(duì)這種不穩(wěn)定的緊急突發(fā)數(shù)據(jù)流提供QoS，導(dǎo)致在帶寬緊張時(shí)得不到及時(shí)服務(wù)，很難真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)大規(guī)模監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
　　 本論文對(duì)大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)應(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)針對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和水聲通信的特點(diǎn)進(jìn)行協(xié)議和算法的設(shè)計(jì)，具體研究?jī)?nèi)容包括：大規(guī)模

4、節(jié)點(diǎn)定位，水下MAC（Medium Access Control）協(xié)議設(shè)計(jì)和水下突發(fā)數(shù)據(jù)在陸地網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腝oS支持。
　　 本論文的創(chuàng)新工作如下：
　　 (1)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)定位：針對(duì)目前靜止參考節(jié)點(diǎn)和Range-based的定位算法很難解決大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題，提出了兩種使用移動(dòng)信標(biāo)和Range-free相結(jié)合的區(qū)域定位算法，包括基于DETs的多功率廣播區(qū)域定位算法和基于DETs的單功率多深度廣播區(qū)域定位算法

5、。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前者定位精度更高，后者實(shí)現(xiàn)更方便，系統(tǒng)費(fèi)用低。但兩者的定位精度都遠(yuǎn)高于一般的Range-free方法；
　　 (2)水下ALOHA協(xié)議分析與改進(jìn)：推導(dǎo)出適合任意傳播速度的數(shù)據(jù)沖突理論公式，首次獲得低傳播速度導(dǎo)致水下S-ALOHA(Slotted ALOHA)協(xié)議性能大大下降的理論原因；并提出了基于數(shù)據(jù)同步到達(dá)的SA-ALOHA（Synchronous Arrival Slotted ALOHA）協(xié)議和根據(jù)傳播時(shí)

6、延誤差調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)度的ISA-ALOHA(Improved Synchronous Arrival Slotted ALOHA)協(xié)議，目的是控制數(shù)據(jù)隨機(jī)沖突的概率和時(shí)間，克服了不同傳播速度的影響。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在水下傳播時(shí)延估計(jì)準(zhǔn)確的情況下，SA-ALOHA的最大吞吐量比水下S-ALOHA提高1倍，接近理想S-ALOHA性能。在傳播時(shí)延誤差達(dá)±66ms的情況下，ISA-ALOHA的最大吞吐量為0.28，仍比水下S-ALOHA提高50％以

7、上，且適合任何傳播速度的網(wǎng)絡(luò)；
　　 (3)IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)性能分析與服務(wù)區(qū)分：針對(duì)IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)無(wú)QoS保證的問(wèn)題，得到基于帶寬競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)性能理論分析模型，并根據(jù)模型提出基于不同信道訪(fǎng)問(wèn)參數(shù)和優(yōu)先級(jí)設(shè)置的服務(wù)區(qū)分方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出區(qū)分服務(wù)方法對(duì)提高QoS效果明顯，提出的分析模型有非常高的精確度。這些分析模型有利于輔助基站配置和管理帶寬分配機(jī)制，在不浪費(fèi)帶寬利用率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊急數(shù)據(jù)的傳送。