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)作為無線傳感器網(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，水下環(huán)境監(jiān)測，水下物種跟蹤與保護，海洋地震海嘯災(zāi)難預(yù)報，以及反潛艇入侵檢測，水下協(xié)同作戰(zhàn)等。近年來，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究引起了學術(shù)界、工業(yè)界和軍界的極大關(guān)注，美國、德國、日本等國家相繼投入巨資進行研究，希望能在未來的經(jīng)濟發(fā)展和國防上掌握主動權(quán)。因此，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究對國家經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全具有戰(zhàn)略性意義。

2、
　　 相比陸地無線傳感器網(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延長、信道帶寬低和高信道錯誤率的缺點，陸地無線傳感器網(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)用時效率低。在定位方面，無線電波在水下衰減快，陸地無線傳感器網(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)境里很難實現(xiàn)節(jié)點精確定位，無法進行物體跟蹤、災(zāi)難預(yù)報和入侵報警

3、等應(yīng)用。此外，大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測會產(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)致在帶寬緊張時得不到及時服務(wù)，很難真正實現(xiàn)實時大規(guī)模監(jiān)測應(yīng)用。
　　 本論文對大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，重點針對水下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和水聲通信的特點進行協(xié)議和算法的設(shè)計，具體研究內(nèi)容包括：大規(guī)模

4、節(jié)點定位，水下MAC（Medium Access Control）協(xié)議設(shè)計和水下突發(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)點定位：針對目前靜止參考節(jié)點和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)點定位問題，提出了兩種使用移動信標和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、。仿真實驗結(jié)果表明前者定位精度更高，后者實現(xiàn)更方便，系統(tǒng)費用低。但兩者的定位精度都遠高于一般的Range-free方法；
　　 (2)水下ALOHA協(xié)議分析與改進：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)同步到達的SA-ALOHA（Synchronous Arrival Slotted ALOHA）協(xié)議和根據(jù)傳播時

6、延誤差調(diào)整時隙長度的ISA-ALOHA(Improved Synchronous Arrival Slotted ALOHA)協(xié)議，目的是控制數(shù)據(jù)隨機沖突的概率和時間，克服了不同傳播速度的影響。仿真實驗結(jié)果表明在水下傳播時延估計準確的情況下，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。在傳播時延誤差達±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IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)對突發(fā)數(shù)據(jù)無QoS保證的問題，得到基于帶寬競爭機制的網(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問參數(shù)和優(yōu)先級設(shè)置的服務(wù)區(qū)分方法。仿真實驗結(jié)果表明提出區(qū)分服務(wù)方法對提高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制，在不浪費帶寬利用率的同時實現(xiàn)緊急數(shù)據(jù)的傳送。