水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，海洋中豐富的資源及神秘性引起了人們?cè)絹碓蕉嗟呐d趣和關(guān)注，在海洋中部署水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)以輔助海洋研究成為重要的手段。同時(shí)，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)也是陸上無線網(wǎng)絡(luò)的延伸，在海洋立體觀測、海洋國防安全、海洋資源發(fā)現(xiàn)開發(fā)與保護(hù)、水下科考以及災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)報(bào)等方面具有廣泛的應(yīng)用。水聲傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息的確定是使所采集數(shù)據(jù)有分析、參考和指導(dǎo)意義的基礎(chǔ)，對(duì)位置未知的水下傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備的基本功能之一。近些年來，水

2、聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位已逐漸成為一個(gè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。
　　然而不同于陸上無線網(wǎng)絡(luò)的信道特性，水聲信道具有自己獨(dú)特特性，導(dǎo)致陸上多數(shù)成熟的技術(shù)和協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)在水聲網(wǎng)絡(luò)中不能簡單適用，只能作為一種參考和借鑒。在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中，針對(duì)水聲信道的特點(diǎn)，更多學(xué)者選擇的是對(duì)定位算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，也有部分學(xué)者從節(jié)點(diǎn)選擇和定位信號(hào)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，但未見從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，同時(shí)對(duì)物理層、MAC層和應(yīng)用層進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的方案。本文以水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、定位為應(yīng)用背景，對(duì)跨層技術(shù)進(jìn)行研究。
　　本文以水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位為背景，研究了物理層中定位信號(hào)的設(shè)計(jì)及相關(guān)信號(hào)解調(diào)算法、應(yīng)用層中參考節(jié)點(diǎn)選擇算法和MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)，討論了三者之間的相互制約情況，并分析了整體的定位性能。物理層中的信號(hào)特性及信號(hào)解調(diào)算法，對(duì)應(yīng)用層中參考節(jié)點(diǎn)選擇算法的參數(shù)邊界取值進(jìn)行了限制，而參考節(jié)點(diǎn)選擇算法的成立，需要MAC層協(xié)議的配合，同時(shí)MAC協(xié)議的存在，對(duì)物理層中定位信號(hào)的特性也有一定的要求。三者之間在不同的

4、層級(jí)獨(dú)立工作又相互制約，提高了水聲傳感網(wǎng)定位精度。
　　本文的主要研究工作點(diǎn)如下:
　　(1)在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層，針對(duì)水聲信道的特點(diǎn)及水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的碼分多址接入性能要求，分析了利用組合chirp信號(hào)(MLC)作為載波信號(hào)的可行性及相關(guān)性能。同時(shí)結(jié)合組合chirp信號(hào)的特性，證明了將其作為水聲傳感網(wǎng)定位中的定位信號(hào)的優(yōu)越性。
　　(2)針對(duì)作為定位信號(hào)的組合chirp信號(hào)的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的高效的信號(hào)解調(diào)方法——

5、混頻變斜率分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(MCR-FRFT)。同時(shí)利用MCR-FRFT算法，分析了在觀察時(shí)間窗內(nèi)不同定位信號(hào)之間到達(dá)接收端的時(shí)間差，并給出相應(yīng)的差值表達(dá)式及相關(guān)的的仿真性能分析。
　　(3)在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的應(yīng)用層，對(duì)用于協(xié)助定位的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇?？紤]水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限性和為了延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的能量、位置可靠性和節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(MCR-FRFT算法相關(guān))等參數(shù)，對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的優(yōu)選進(jìn)行了研究，給

6、出了有效的選擇算法，為了延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，利用Q學(xué)習(xí)算法對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)射進(jìn)行了規(guī)劃。最后也對(duì)有無加入該選擇算法的定位結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　(4)在水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的MAC層，根據(jù)MAC協(xié)議相關(guān)性能指標(biāo)及具體應(yīng)用要求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。為了減少包的碰撞概率，提高網(wǎng)絡(luò)的定位效率，根據(jù)相關(guān)參數(shù)分析設(shè)計(jì)了時(shí)隙CSMA協(xié)議，該時(shí)隙值是與應(yīng)用層中的參考節(jié)點(diǎn)選擇函數(shù)相關(guān)的。通過與ALOHA、CSMA及TDMA