三维水声传感器网络中高效路由协议的研究

近年来,三维水声传感器网络在学术界和工业界引起了极大的关注.在被监测海域部署三维水声传感器网络,可以解决二维水声传感器网络节点无法充分观测的问题.为了实现三维水声传感器网络在新环境中的水下监测,需要解决一系列的问题.其中,由于监测区域环境的限制以及水声传感器节点的特殊性,需要设计高效的路由协议来保证数据包在各节点之间正确转发.首先提出一种基本地理位置路由协议.在此基础上,设计一种自适应路由协议,以较好地适应三维水声传感器网络中部分节点失效的情况.通过仿真实验发现,自适应路由协议可以在数据包传送率、端到端延时和网络吞吐量指标上达到平衡,而基本地理位置路由协议在端到端延时指标上可获得更好的性能.     

水声传感器网络节点定位技术综述

在水声传感器网络的应用中,只有当传感器节点的位置已知,获得的信息才具有意义.因此,节点定位技术是水声传感器网络研究的一个重点和热点.首先分析了在水声环境中的传感器网络节点定位技术的特点;在此基础上分类介绍了距离无关定位算法和距离相关定位算法,其中重点阐述和分析了距离相关算法的测距技术、基于固定锚节点算法和基于移动锚节点算法;最后总结并展望了水声传感器网络节点定位技术的发展与研究方向.     

基于FPGA的水声信号采样存储系统设计

为了提高水声传感器网络通信系统试验和算法研究的效率,水声传感器网络节点需要具有水声通信的原始波形数据的记录功能.本文设计了一种水声信号采样存储系统,实现了数据变速率AD采集、数据环形存储、数据连续读取、数据飞读等功能.该系统具有结构清晰,集成度高,工作可靠等优点,可以有效提高水声传感器网络试验的效率.     

面向海洋监测的水声传感器网络节点定位算法

为解决面向海洋监测应用的大规模水声传感器网络的节点定位问题,首先,采用整数线性规划理论,提出了多目标约束的水面网关优化部署策略;其次,针对水声传感器网络不同节点的特点,设计不同的定位方案,提出了有预测性的水声传感器网络节点部署算法。仿真实验验证了该方法的可行性与有效性,结果表明,该算法能明显提升节点的定位范围,降低通信能耗,减小定位误差,为水声传感器网络的海洋大规模部署提供相应技术指导。     

水声传感器网络节点自适应加权定位算法

对水声传感器网络节点定位进行研究,针对水声传感器网络节点间测距精度不高的问题,提出一种水声传感器网络节点自适应加权定位算法。考虑到水声传感器网络节点间的测距误差随着节点间距离的增大而增大,算法改进了锚节点选择机制,并且对不同锚节点在定位测度中的权重进行加权,改进定位测度,提高了测距信息的利用效率。仿真实验表明该算法提高了节点定位精度。     

面向能量和链路优化的水声移动传感器网络路由协议设计

针对水声移动传感器网络中存在水声通信环境恶劣、通信环境复杂多变以及节点能量受限造成的水声移 动传感器网络能量不均和路由链路断裂问题, 提出一种基于能量与链路度量路由的改进按需平面距离向量路由 (AODV)协议. 引入了以能量阈值为基准描述网络节点能量状态的能量指标以及以邻居节点间距离为基准描述链路 状态的链路指标, 并以综合考虑网络路由链路中节点的能量指标、路由链路指标以及路由链路跳数的路由度量作 为协议选择路径的优先条件, 并以此进行路由修复. 仿真实验表明, 本文所设计的改进AODV协议可提升网络整体 数据量、均衡网络节点能量、延长网络的生存周期.     

一种干扰条件下的水底监测层网络体系结构

三维水声传感器网络可分为水面、水中、水底三层进行监测。为了提升干扰条件下水声传感器网络的整体性能,针对水底监测区域的节点部署设计了分层水声传感器网络体系结构,假定在水下监测区域内分布的传感器和集电极分别运行在不同的层,通过实验分析了节点间距不同的情况下,信噪比与最优工作频率的关系,仿真验证了集电极层与传感器层可采用不同最优工作频率通信的合理性和可行性,能够确保网络正常运行并有效避免交叉干扰。     

基于可控节点的水声传感器网络控制系统

针对优化通信协议无法解决的水声传感器网络可靠性和可持续性问题,设计一种具有自主移动能力的水下可控节点,并在该可控节点的基础上设计一种水声传感器网络控制系统。该系统以拓扑控制服务器为中心,从网络部署控制、汇总数据监控和网络拓扑控制三个方面实现对网络稳定性和可持续性的维护。     

基于动力学特性水声传感网随机游走容错机制

水下传感器节点能量有限、复杂海洋环境影响网络性能下降等因素,制约了水声传感器网络在海洋资源开发、海洋监测等方面的应用推广。为解决水声传感器网络的数据传输负载不均衡、容错能力低等问题,刻画水声传感器网络传播动力学特性,分析复杂海洋环境中传感器节点失效原因,建立了簇结构网络演化模型,提出了一种随机游走容错机制,以提高水声传感器网络容错性和延长其生命周期。仿真实验验证了该模型的合理性和有效性,实验结果表明该机制能揭示水下传感器网络中存在的普遍动力学特性和规律。     

三维网络拓扑结构的水声传感器网络MAC协议

水声传感器网络Underwater Acoustic Sensor Network(UWASN)由于其广阔的应用前景,近年来逐渐被人们关注。然而由于水下环境的限制性,水声传感器网络具有其一些独特性。例如,与二维的陆地传感器网络不同,水声传感器网络是三维的。如今,现有的介质访问控制Medium Access Control(MAC)协议大多是针对二维无线传感网络,很少有基于三维水声传感器网络的 MAC 协议。针对水下三维网络,提出了基于三维网络拓扑结构的水声传感器网络 MAC 协议。该协议将网络中的节点生成树结构,并利用子节点与父节点之间的关系,通过动态节点算法实现三维动态的水声传感器网络。此外,详细分析了节点间的碰撞并有效解决各种碰撞,从而大大提高了信道利用率。通过仿真软件对比不同协议在同一网络拓扑中的实验结果,证实文中协议能够有效节约大量能源。