水下傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)通信協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡在民用和軍事領域有著廣闊的應用前景，因此得到了國內外的高度重視。隨著人們對遼闊海洋探索的迫切渴望和沿海地區(qū)軍事防御、商業(yè)開發(fā)等需求的日益增加，以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎的水下傳感器網(wǎng)絡，也同樣已經(jīng)引起了學術界和工業(yè)界的密切關注，它將在未來的水下監(jiān)視預警系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，因此對水下傳感器網(wǎng)絡的研究是一項具有重大意義的研究課題。高效的網(wǎng)絡拓撲結構和通信協(xié)議對于無線傳感器網(wǎng)絡至關重要。而水下聲信道極為特殊，時延大且易變、多徑效應和

2、多普勒頻率偏移嚴重，使得陸基無線通信網(wǎng)絡的技術不能直接應用于水下。因此水下傳感器網(wǎng)絡存在能量消耗均衡、高效的拓撲結構、能量有效的通信協(xié)議等方面的諸多挑戰(zhàn)?；诖?，本文在組網(wǎng)相關技術難點方面展開研究。首先針對網(wǎng)絡拓撲結構進行理論研究，并設計能量消耗均衡的拓撲結構模型。然后分別研究和設計了適應于水下高傳輸延遲和高能耗特性的路由協(xié)議和MAC 協(xié)議。最后通過仿真(實驗)結果論證這些協(xié)議和拓撲結構的良好性能和可行性。主要研究內容包括：
　　

3、 ⑴建立了網(wǎng)絡拓撲結構與能量消耗分析模型：針對水下傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構進行分析。利用能耗模型，分析水下信道多跳傳輸?shù)哪芰肯?，水下環(huán)境分簇網(wǎng)絡結構的優(yōu)勢及其網(wǎng)絡能量消耗最優(yōu)的簇頭數(shù)目。以此為基礎，給出水下環(huán)境下的分簇多跳網(wǎng)絡拓撲結構，并指出了后續(xù)章節(jié)的研究重點和思路。
　　 ⑵提出了適合多跳結構的傳感器網(wǎng)絡非均等分簇算法：通過網(wǎng)絡結構分析模型和水下聲信道能耗模型，以幾何規(guī)劃理論推導為基礎，提出了一種能量消耗均衡的分簇策略BEC

4、S。該策略通過距離向量和能量水平智能地改變節(jié)點成為簇頭的概率，并使簇頭自適應的確定其“管轄”范圍大小。同時還引入簇頭協(xié)商機制，使得簇頭分布均勻，較好地均衡了網(wǎng)絡負載，有效的延長網(wǎng)絡的生命周期。
　　 ⑶提出了水下傳感器網(wǎng)絡中基于前向簇頭和前向網(wǎng)關的路由算法：針對水下的高傳輸延遲和高能耗問題，以分簇結構為基礎，提出了以前向簇頭和前向網(wǎng)關為基礎的路由協(xié)議FFBR。此協(xié)議充分利用節(jié)點的地理位置信息，使得網(wǎng)絡在拓撲結構初始化的過程中就能

5、夠基本形成方向性節(jié)能路由，同時通過前向簇頭和前向網(wǎng)關的選擇策略，保證網(wǎng)絡能量消耗均衡，并減小了路由建立造成的開銷和時延。
　　 ⑷提出水下網(wǎng)絡中基于預約的能量有效的MAC 協(xié)議：針對水下聲信道傳輸時延長、多變、同步難等特點，結合分簇結構提出了一種基于預約的能量有效MAC協(xié)議。此協(xié)議運用時間標記的方法，解決水下傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳送接收同步的問題，同時運用“保護時間”的方法，盡量減少和避免水下傳感器網(wǎng)絡中，由于信道變化而引起的數(shù)據(jù)傳