三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由與定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著陸地上資源的日益枯竭，人類逐漸將目光轉(zhuǎn)向海洋，各式各樣的海洋活動也蓬勃發(fā)展起來。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地支撐人類的各種海洋活動，因而吸引著越來越多的學(xué)者開展水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在聲波通信、數(shù)據(jù)路由、節(jié)點定位等方面。但水下環(huán)境錯綜復(fù)雜，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨帶寬窄、延時高、能量受限和節(jié)點移動性等挑戰(zhàn)，這些都制約著水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用。
　　本文主要研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由和節(jié)點定位問題。水下傳感

2、器網(wǎng)絡(luò)路由主要考慮包投遞率、平均端到端延時和能量消耗等指標(biāo)。在實際的路由設(shè)計過程中，這幾個路由指標(biāo)往往是相互制約的。VBF（Vector Based Forwarding）協(xié)議是一種定向泛洪的路由協(xié)議，其能夠很好地滿足水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的要求，且具有較好的魯棒性。相比于傳統(tǒng)的泛洪協(xié)議，VBF協(xié)議能夠控制參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點的數(shù)目，進(jìn)而有效地降低路由的能量消耗。但VBF協(xié)議需要已知節(jié)點的位置信息，之前對VBF協(xié)議的研究通常都假設(shè)位置信息已知，可

3、是對于許多水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點位置信息是很難獲取的。因此，需要借助定位手段來對水下傳感器節(jié)點進(jìn)行定位。
　　水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位通常利用TOA測距的方式。這主要是因為水下聲波的傳輸速度比陸地上電磁波的傳輸速度低5個數(shù)量級，因此，對于節(jié)點時鐘的同步要求相對較低。本文同樣利用TOA測距的方式進(jìn)行節(jié)點定位，對于信標(biāo)節(jié)點部署在海面上的情形，采用擴散定位的方式完成深海節(jié)點的定位，這種方法能夠保證絕對多數(shù)的節(jié)點完成定位過程，但隨著網(wǎng)絡(luò)定

4、位的進(jìn)行，會存在定位誤差的擴散問題，即深度越大的節(jié)點其定位誤差也通常較大。
　　本文對三維動態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，并基于這一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于定位的VBF路由協(xié)議?；诙ㄎ坏腣BF路由協(xié)議能夠周期性地更新網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的位置信息，有效適應(yīng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化。此外，為進(jìn)一步降低VBF協(xié)議的通信能耗，本文在數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程，引入延時控制和貪婪算法，在保持較高的包投遞率的基礎(chǔ)上，顯著改善了路由過程中的能量消耗

5、問題。
　　定位唯一性問題是網(wǎng)絡(luò)定位的基礎(chǔ)問題。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境較為復(fù)雜，信號傳輸過程中容易受到多徑效應(yīng)的影響，且節(jié)點通常具有更遠(yuǎn)的傳輸范圍和一定的移動性，這些因素都會導(dǎo)致水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位誤差一般高于陸地上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)絡(luò)定位的唯一性問題也會更加的突出。翻轉(zhuǎn)歧義是一種常見的網(wǎng)絡(luò)定位不唯一問題，其會造成較大的定位誤差，且隨著誤差的傳播，部分或整個網(wǎng)絡(luò)都有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)歧義。
　　本文針對網(wǎng)絡(luò)定位中的翻轉(zhuǎn)歧

6、義現(xiàn)象進(jìn)行研究，首先從二維的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出發(fā)，分析并推導(dǎo)了真實測距的定界范圍，并提出了一種基于測距誤差門限的翻轉(zhuǎn)歧義檢測算法。然后針對三維的情形，借助于壓力傳感器等輔助手段獲取節(jié)點的深度信息，進(jìn)而將三維的翻轉(zhuǎn)歧義問題轉(zhuǎn)化到未知節(jié)點所在的深度平面內(nèi)進(jìn)行研究。采用與二維類似的分析方法，將本文的翻轉(zhuǎn)歧義檢測算法推廣到三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的情形下。仿真結(jié)果表明，本文提出的翻轉(zhuǎn)歧義檢測算法能夠有效地避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位過程中的翻轉(zhuǎn)歧義現(xiàn)象，提高水下傳感器節(jié)