海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋中的延伸,它針對(duì)海洋監(jiān)測具體應(yīng)用,部署在極其復(fù)雜可變的海洋環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的實(shí)時(shí)監(jiān)測。海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括部署在海面上的網(wǎng)絡(luò)部分和部署在水下的網(wǎng)絡(luò)部分。廣義上的海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)甚至包括陸基海洋近岸網(wǎng)絡(luò)、空基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等,從而形成更廣意義上的海洋立體監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文主要涉及一般意義上的海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò),即水面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　 水面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用無線

2、電波進(jìn)行通信和組網(wǎng),可用來監(jiān)測風(fēng)向、波高、潮汐、水溫、光照、水質(zhì)污染等與海洋相關(guān)的信息,另外還負(fù)責(zé)與水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)?。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前主要利用水聲實(shí)現(xiàn)通信和組網(wǎng),與陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比具有以下特點(diǎn):通信信道具有高時(shí)延、時(shí)延動(dòng)態(tài)變化、高衰減、高誤碼率、多徑效應(yīng)、多普勒頻散嚴(yán)重、信道高度動(dòng)態(tài)變化以及低帶寬等特點(diǎn),被認(rèn)為是迄今難度最大的無線通信信道;網(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)性特點(diǎn);水下節(jié)點(diǎn)使用電池供電,更換電池更為困難;節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息耗能

3、比接收信息耗能往往大幾十倍甚至上百倍;由于水下節(jié)點(diǎn)價(jià)格昂貴,水下網(wǎng)絡(luò)具有稀疏性部署特點(diǎn)等等。必須針對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn),研究適合水下網(wǎng)絡(luò)的新協(xié)議。
　　 本文針對(duì)海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),主要對(duì)以下海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)作了研究:
　　 1.針對(duì)稀疏部署的海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò),特別是系泊海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò),對(duì)能量平衡問題作了研究。海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般使用電池供電,電池不易更換,能量的均衡消耗直接影響著網(wǎng)絡(luò)的生存期

4、。而系泊海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的稀疏性特點(diǎn),使得節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗更加重要。針對(duì)這些特點(diǎn)并根據(jù)水下能量消耗模型,提出兩種延長網(wǎng)絡(luò)生存期的算法EBH和DIB。EBH是一種基于能量分級(jí)的能量平衡混合數(shù)據(jù)傳輸算法,它根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的等級(jí)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的模式,從而在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間達(dá)到節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗。DIB是一種基于分簇的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能量平衡數(shù)據(jù)傳輸算法,它通過配置節(jié)點(diǎn)不同的初始能量達(dá)到能量均衡消耗。
　　 2.海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、定位技術(shù)是獲取海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測信息的關(guān)鍵技術(shù)之一。不論是環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難避免、水下安全闖入監(jiān)測、節(jié)能路由控制等,都離不開節(jié)點(diǎn)的位置信息。水下節(jié)點(diǎn)發(fā)送耗能是接收耗能的幾十倍甚至上百倍,另外水下網(wǎng)絡(luò)具有稀疏部署的特點(diǎn)。利用這些特點(diǎn),本文提出兩種利用AUV輔助定位的節(jié)點(diǎn)被動(dòng)定位算法,從而把定位能耗最大限度地轉(zhuǎn)移到能量易于補(bǔ)充的AUV上,節(jié)點(diǎn)僅僅接收定位信標(biāo)就可以計(jì)算出自己的位置。這兩種算法分別適用于水下二維和水下三維環(huán)境。在兩種算法中提出利用具有方

6、向角的水聽器發(fā)送方向性信標(biāo)實(shí)現(xiàn)水下定位,從而簡化了定位算法,降低了節(jié)點(diǎn)定位能耗。此外,這兩種定位算法都不依賴于節(jié)點(diǎn)的部署密度,因而比較適合海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)具有稀疏部署的特點(diǎn)。
　　 3.海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)闖入監(jiān)測是安全防御的一個(gè)重要組成部分,它主要應(yīng)用在港口保護(hù)、海上邊界保護(hù)、海上設(shè)施,如海上石油平臺(tái)、漁業(yè)設(shè)施的保護(hù)等等。本文主要針對(duì)海面船只闖入監(jiān)測作了研究,提出應(yīng)用于海洋環(huán)境的闖入監(jiān)測算法。將帶有三軸加速度傳感器的imote

7、2節(jié)點(diǎn)安裝在浮標(biāo)上,然后把浮標(biāo)部署在海上試驗(yàn)基地并作了試驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)分析處理,發(fā)現(xiàn)船行波和海浪具有不同的頻譜特性。利用這些特性設(shè)計(jì)了具有三個(gè)監(jiān)測層次的闖入監(jiān)測算法。根據(jù)船行波對(duì)海浪擾動(dòng)的具體特點(diǎn),在算法中提出臨時(shí)簇和固定簇相結(jié)合的辦法,從而可以較好地利用闖入監(jiān)測的時(shí)空關(guān)聯(lián)性特性。另外,結(jié)合手動(dòng)部署,闖入算法還可以估計(jì)闖入船只的速度。
　　 海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境保護(hù)、資源保護(hù)與管理、災(zāi)害監(jiān)測、海洋工程、海上生產(chǎn)作業(yè)和海