具有時空多變性的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議研究.pdf

1、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network,簡稱UASN)是指將能耗低、低成本、具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點部署到監(jiān)測海域,節(jié)點以無線自組織的方式構(gòu)成的分布式水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被廣泛的應(yīng)用在海洋資源勘探、海洋信息監(jiān)測、水下目標(biāo)跟蹤和定位等領(lǐng)域,具有重要的應(yīng)用價值和研究意義,并逐漸成為當(dāng)前信息科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。
　　 本文分析了水聲信道特性對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響,

2、從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和時間同步機制三方面對基礎(chǔ)協(xié)議設(shè)計進行研究,設(shè)計了可擴展的、通用的水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),提出了適應(yīng)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時空多變性、高誤碼率和高延遲特點的介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)和時間同步算法。具體的研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處包括以下幾個方面:
　　 1、針對水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信受限和異構(gòu)互聯(lián)問題,分析已提出的容遲網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),指出由于其通用性差,不適用于水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)。進而研究水下移動傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)的典型應(yīng)用場景和基本特征,提出可擴展的、通用的新型容遲網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),研究體系結(jié)構(gòu)的各層在組網(wǎng)通信中的作用和對協(xié)議設(shè)計的需求,指出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 2、針對水下三維網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu),分析三種不同通信模式對數(shù)據(jù)包的傳輸方向和傳輸時延的影響,研究節(jié)點坐標(biāo)和數(shù)據(jù)發(fā)送時間的關(guān)系。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單位圓干擾模型,推導(dǎo)出節(jié)點坐標(biāo)位置和節(jié)點時隙分配的函數(shù)關(guān)系,提出了基于三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的集中式MAC協(xié)議:USS-TDMA.USS-TDMA

4、算法采用沖突避免機制,由基站管理時間片分配,并通過廣播同步消息保持全網(wǎng)絡(luò)同步運行,能極大地提高水聲信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低時延。
　　 3、研究TDMA算法中節(jié)點時隙分配的本質(zhì)規(guī)律,提出一種能量高效的分布式MAC協(xié)議:UD-TDMA。UD-TDMA算法將求解并發(fā)通信節(jié)點個數(shù)問題轉(zhuǎn)化為求解極大獨立集的理論問題,設(shè)計分布式算法獲得每輪發(fā)送節(jié)點的極大獨立集,進而確定節(jié)點時隙分配和發(fā)送周期。算法的時間復(fù)雜度為O(n),其中,n為2

5、跳鄰居節(jié)點集的度的最大值。通過理論分析、仿真試驗,證明UD-TDMA算法的可行性和有效性,驗證UD-TDMA的性能和效率。
　　 4、針對水下節(jié)點移動導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳播時延動態(tài)變化的問題,研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動對傳播延遲的影響規(guī)律,建立節(jié)點移動和傳播延遲的關(guān)系模型,提出適用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度時間同步算法:E2DTS。E2DTS通過求解相鄰數(shù)據(jù)包的接收/發(fā)送時間差值,采用線性回歸方法估計時間漂移率和時間偏移,減少了數(shù)據(jù)交換過程