水下无线组网的关键算法及水声调制解调装置研究

论文摘要

我国地域辽阔,淡水总量居世界第四位,但分布不均,人均占水量仅为世界水平的1/4,加强对水资源的监测对于国民生产有极其深远的影响。当前无线传感器网络逐渐成为水资源监测的主流方式,其最常用的是水面监测技术,并已日渐成熟,但这种监测方法只能采集接近于水面的数据,有一定的局限性。为了能更好的监测到水下环境中的生态、地形、地壳等数据,水下无线传感器网络成为研究热点。水下无线传感器网络是从水下环境收集数据并将这些数据传输到水面基站,基站收集的数据再被发送到监测中心进行处理。水下是一种三维的动态环境,水流、波浪、旋涡等因素的影响都会造成水下数据传输的困难,如今水下传输最为认可的是水声传输方式,因此水声传输装置是水下组网的必要设备。声信道具有以下特点:带宽很低,传输距离短,当终端节点距离采集节点很远时没办法接收到数据;误码率高,经常出现接收不到信号的现象,一些移动目标例如船舶等,可能会阻断网络两部分之间的通信;传播时延相对水面无线信道要长;水下的噪声也会影响到通信信道的吞吐量。上述特点决定了水下无线组网采用的是多跳路由数据收集方式,那么路由算法及节点部署也必须重新考虑。对于水下无线传感器网络的研究我国还处于起步阶段,有很多技术难题需要攻克。为了实现水下无线组网,本文开展了相关的技术探讨,重点围绕水下无线组网的路由算法、覆盖算法、水声调制解调装置等方面进行深入的理论分析。具体工作如下:（1）针对水下无线传感器网络误码率高的特点,提出基于水声道的新机会避免无效路由算法,以增加在稀疏和有损的水下环境中的吞吐量和可靠性,机会路由仅取决于一跳相邻节点提供的信息。每一个转发节点选择转发组,采用分布式信标机制从汇聚节点发起信息。为了提高水下通信效率和避免空洞区域,提出了基于自主水下滑翔机的位置感知路由算法,此算法包括了位置感知移动模式和协同位置感知模式。自主水下滑翔机能在预定时间内停留在逗留位置,估计出能耗的自主置信和邻近置信区域,然后,根据置信区域对自主水下滑翔机的发射功率进行调节。（2）针对水下移动节点不可预测性这一难题,提出移动性预测的自主水下滑翔机定位算法,对配备了全球定位系统的自主水下滑翔机进行部署并将其作为参考节点,这些参考节点被用于对所有非定位的普通传感器节点进行定位,以降低定位误差,提高覆盖率,并将最大比合并作为分集技术,结合来自源节点以及来自目的地处的中继节点信号,以提升网络吞吐量。针对水流、波浪、旋涡等因素造成的能耗高问题,提出了基于概率感知改进的K重覆盖度传感器网络部署算法,引入最大权匹配实现集中式分配策略,降低网络节点移动过程中的能量消耗,从而更好的达到节能效果。（3）针对多变水下环境会对水下自主滑翔机同步化造成严重影响等问题,提出一种带有维诺区域间歇性连接的多跳水下无线传感器网络,该网络使用代理节点对水下自主滑翔机状态信息进行局部共享,由此省去了对该信息进行全局传播以维持数据转发路由的要求,降低大规模分级式水下无线传感器网络上的数据收集延迟。（4）为了能实现声信号与电信号之间的转换,设计一种基于现场可编程门阵列芯片的高速低功耗水声调制解调装置,通过1MHz单载波二进制启闭键控调制,调制解调装置能实现全双工点对点水下通信性能,实验证明在160uW/bit低功耗条件下能够达到1Mbps的数据速率,且误比特率为3.2×10-3,从而在保证通信质量的同时提高水声通信的信息速率。设计基于无线传感器网络的水资源监控系统,系统采用立体式的监测手段,水下应用水声无线传感网实现水环境参数采集,通过汇聚节点的调制解调器转换为水面传输信号后利用水面网关的通用分组无线业务（General Packet Radio Service,GPRS）模块把整个网络监测点的数据上传到远程监测处理器,达到了对水资源远程监测的目的。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水下无线传感器网络的研究现状

1.2.1 面向水资源监测的水下无线传感器网络概况

1.2.2 路由算法研究现状

1.2.3 定位及覆盖算法研究现状

1.2.4 大规模多跳水下无线网络研究现状

1.2.5 水声调制解调装置研究现状

1.3 水下无线组网的关键技术面临的问题

1.3.1 路由算法面临的问题及解决思路

1.3.2 定位及覆盖算法面临的问题及解决思路

1.3.3 大规模水下网络中数据收集面临的问题及解决思路

1.4 论文的研究内容及结构安排

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 论文结构安排

第2章基于水声道的路由算法研究

2.1 引言

2.2 水下路由性能特点与模型

2.2.1 水下路由性能特点

2.2.2 水声传播模型

2.3 基于水声道的机会路由算法研究

2.3.1 机会路由数据包传输

2.3.2 机会路由数据包进展

2.3.3 机会路由转发集选择

2.3.4 机会路由可靠性和能量消耗间的权衡

2.3.5 机会路由转发数据包的保留时间

2.3.6 性能评价与分析

2.4 基于AUV位置感知移动模式的路由算法研究

2.4.1 基于AUV位置感知的移动模式

2.4.2 基于AUV协同位置感知的移动模式

2.4.3 基于AUV最大化吞吐量算法

2.4.4 性能评价与分析

2.5 本章小结

第3章水下移动节点定位及其覆盖算法研究

3.1 引言

3.2 基于移动性预测的AUV协同定位算法研究

3.2.1 水声传播模型

3.2.2 移动性预测的AUV定位设计

3.2.3 协同MPAUV设计

3.2.4 性能评价与分析

3.3 基于概率感知的改进K重覆盖算法研究

3.3.1 概率感知模型

3.3.2 节点部署设计及分派策略

3.3.3 性能评价与分析

3.4 本章小结

第4章基于维诺区域间歇性连接的多跳路由UWSN研究

4.1 引言

4.2 网络架构设计

4.2.1 网络设置阶段

4.2.2 运行阶段设计

4.3 性能评价与分析

4.3.1 仿真设置与性能度量

4.3.2 同步化频率分析

4.3.3 垂直方向平均延迟分析

4.3.4 水平方向平均延迟分析

4.3.5 航行时间分析

4.3.6 端到端延迟分析

4.4 本章小结

第5章水下无线传感器网络在水资源监测中的应用

5.1 引言

5.2 水资源监测系统的框架设计

5.3 水声调制解调装置的设计

5.3.1 水声调制解调器关键问题描述

5.3.2 信道模型设计

5.3.3 硬件框架设计

5.3.4 信号传输设计

5.3.5 数字信号处理设计

5.3.6 实验分析

5.4 无线传感器网络节点设计

5.4.1 水下采集节点设计

5.4.2 水下路由节点设计

5.4.3 汇聚节点设计

5.5 系统传输网络模型设计

5.6 监测系统的应用

5.6.1 数据监测功能

5.6.2 远程管理功能

5.7 本章小结

第6章全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吕雪

导师: 黎洪生

关键词: 水下无线传感器网络,路由算法,水下滑翔机,节点定位,水声调制解调装置

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 地球物理学,水利水电工程,电信技术,自动化技术

单位: 武汉理工大学

基金: 示范工程《国家水资源监控能力建设广东省项目》

分类号: TP212.9;TN929.3;P332

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000016

总页数: 146

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