基于柱形換能器的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議研究.pdf

1、水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題一直是近年來大家研究的熱點(diǎn),涌現(xiàn)出了不少與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的組網(wǎng)協(xié)議技術(shù)和研究成果。目前,水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要利用水聲進(jìn)行通信,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依靠聲波來傳遞信息,水聲換能器成為必不可少的部件。由于柱形換能器可以做成水平無指向性、垂直指向性可控的寬帶換能器,是聲納系統(tǒng)中僅次于縱向換能器的一種類型,因此更適合在淺海中使用。
　　 本文研究一種適用于柱形換能器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議,建立網(wǎng)絡(luò)理論分析模型,提出適用

2、于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸控制方法,并針對(duì)給出的網(wǎng)絡(luò)部署模型對(duì)其MAC層協(xié)議進(jìn)行研究,提出新的路由傳輸機(jī)制和節(jié)點(diǎn)定位方法,通過仿真驗(yàn)證其有效性。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　 1、抽象基于換能器的水下節(jié)點(diǎn),建立水下節(jié)點(diǎn)的通訊模型,定義節(jié)點(diǎn)的部署概率和換能器概率,給出兩節(jié)點(diǎn)間連通概率的計(jì)算公式,并通過仿真研究換能器基本參數(shù)與節(jié)點(diǎn)連通概率之間的關(guān)系,從而得出換能器發(fā)射角是影響換能器概率的主要因素。本文提出了適用于水下稀疏部署的固

3、定部署模型,對(duì)于給定區(qū)域,給出節(jié)點(diǎn)部署密度與節(jié)點(diǎn)通訊概率之間的關(guān)系;對(duì)于水下節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)稠密部署,給出了節(jié)點(diǎn)部署密度與節(jié)點(diǎn)通訊概率之間的關(guān)系。
　　 2、在結(jié)合第一部分給出的連通概率的基礎(chǔ)上,針對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),提出適應(yīng)此網(wǎng)絡(luò)模型的MAC協(xié)議算法。第一種方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)連通概率確定節(jié)點(diǎn)之間發(fā)包重傳次數(shù),在此基礎(chǔ)上采用RTS/CTS機(jī)制進(jìn)行通信建立;第二種方法是進(jìn)一步考慮降低節(jié)點(diǎn)能量消耗,確定合理的休眠機(jī)制,最后通過仿真驗(yàn)證了算法的有效

4、性。
　　 3、針對(duì)本文提出的固定部署和隨機(jī)部署,分別給出了基于固定部署和隨機(jī)部署的路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。對(duì)于固定部署,基于最短路徑的原則,建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)多條路徑來實(shí)現(xiàn)能量的平衡。為了提高路由算法的自適應(yīng)性,當(dāng)路徑上有節(jié)點(diǎn)損壞時(shí),通過尋找損壞節(jié)點(diǎn)附近的新的節(jié)點(diǎn)來替代損壞節(jié)點(diǎn)以保持路徑的有效性,從而提高了路由的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,并通過仿真驗(yàn)證了其有效性。對(duì)于隨機(jī)部署,考慮節(jié)點(diǎn)間的連通概率、節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離

5、等因素,給出了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇依據(jù),從而減少節(jié)點(diǎn)的盲目轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)排除表來減少選擇鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)的計(jì)算量,通過仿真顯示該協(xié)議可以使得網(wǎng)絡(luò)能量平穩(wěn)下降,有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
　　 4、定位部分利用了聲波幅度的有關(guān)特性和第一部分連通概率與距離的關(guān)系,分別提出了一種測距方法,并應(yīng)用到定位方法中。第一種方法是利用了聲波在水下傳播時(shí)幅度衰減和距離的關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)出一個(gè)有關(guān)距離和幅度的公式,然后利用三邊定位的方法進(jìn)行定