水下傳感網(wǎng)時(shí)鐘同步與節(jié)點(diǎn)定位研究.pdf

1、近年，由集傳感、計(jì)算、路由和通信能力一身的微型傳感器構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的信息采集技術(shù)得到廣泛重視，同時(shí)，隨著人們對(duì)海洋的環(huán)境探索、經(jīng)濟(jì)開發(fā)以及軍事防御的日益關(guān)注，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，開始引起了學(xué)術(shù)、工業(yè)、軍事各方面的高度重視。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)的水下信息采集系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，對(duì)它的研究具有重大的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。
　　 時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)中重要的支撐技術(shù)。在水下無(wú)線傳感網(wǎng)中，

2、聲通信導(dǎo)致的巨大傳播時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)部署與陸地上時(shí)存在的巨大差異，這些因素使得絕大多數(shù)基于陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的成熟的時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，無(wú)法直接移植于水下。論文首先詳細(xì)地分析了現(xiàn)有時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的原理和現(xiàn)狀，總結(jié)出其在水下無(wú)線傳感網(wǎng)中所面臨的挑戰(zhàn)，然后分別針對(duì)時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)所面臨的這些挑戰(zhàn)，相應(yīng)地提出了具體改進(jìn)方法以及專屬算法，并通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 本文主要取得如下研究成果：
　　 (1)聲傳播

3、導(dǎo)致了水下網(wǎng)絡(luò)存在高的傳播時(shí)延，論文對(duì)此種情況的水下傳感網(wǎng)中的時(shí)鐘同步算法進(jìn)行了研究。首先，在對(duì)高延遲網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議（Time Synchronization for High Latency networks，TSHL)算法的開銷和算法誤差的全面分析基礎(chǔ)上，提出一種通過(guò)增大信標(biāo)消息間隔來(lái)減小算法開銷，同時(shí)又能保持算法高的同步精度的改進(jìn)方法。然后，進(jìn)一步地提出一種輕量級(jí)的僅需要三次消息交換即可完成的高時(shí)延傳感網(wǎng)時(shí)鐘同步算法。仿真結(jié)果驗(yàn)

4、證了所提的算法兼顧了高的傳播時(shí)延且控制了算法開銷，從而適用于水下無(wú)線傳感網(wǎng)等資源受限的高延遲網(wǎng)絡(luò)。
　　 (2)針對(duì)由于受水下環(huán)境制約而只能將錨節(jié)點(diǎn)水面部署的情況，研究了多跳的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法。論文提出將現(xiàn)有的二維定位算法進(jìn)行三維擴(kuò)展，然后利用水下節(jié)點(diǎn)易測(cè)的深度信息進(jìn)行定位約束方法，補(bǔ)償錨節(jié)點(diǎn)水面分布帶來(lái)的各向異性；并在經(jīng)典的DV-Hop算法和DV-Distance算法上進(jìn)行深度約束改進(jìn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，論文提出新穎

5、的一種從水面向下逐級(jí)進(jìn)行迭代求精的三維水下傳感網(wǎng)定位算法，此算法在各向異性情況中同樣有效。
　　 (3)研究了節(jié)點(diǎn)稀疏分布情況下的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合定位算法?；谑褂脝蝹€(gè)矢量水聽器進(jìn)行測(cè)向的節(jié)點(diǎn)配置，論文借鑒蜂窩網(wǎng)中混合定位思路，引入多種測(cè)量值--到達(dá)時(shí)間/到達(dá)角度（TOA/AOA）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)的約束條件，提出了多跳的水下三維混合傳感網(wǎng)定位算法。通過(guò)大量仿真比較，驗(yàn)證了算法可在較低網(wǎng)絡(luò)連通度條件下得到相對(duì)準(zhǔn)確的定位結(jié)果