水声通信网络中基于簇结构的定位算法和自适应路由算法

摘要

随着海洋技术的发展，水下通信网络，作为通信网络的一个重要分支，在海洋监测、水下定位、海洋资源勘探等方面发挥了重要的作用。但是，水下通信网络的研究也有一定的困难，有很多技术需要突破，其中定位算法和路由算法是其中的两个关键技术。由于声波的特性，水声通信网络具有数据错误高，信道质量差，能量消耗大的缺陷。设计能够适应水声通信网络的定位算法和路由算法，是克服水声通信网络自身缺陷的重要手段之一。
　　本论文主要研究了水声通信网络的路由层的定位算法和路由算法。论文首先介绍了水声通信的基础知识，包括声速计算以及水声通信网络中MAC层和路由层的知识；然后在这些知识的基础上，结合TOA(Time of Arrival)测量技术和ALS(Area Location Scheme)算法等经典节点定位算法，提出了基于TOA技术和集合运算的水下声通信网络定位算法（Cluster Estimating Location Scheme，CELS）。CELS算法包括水声通信网络中位置测量和位置估计的算法。最后，论文在CELS算法的基础上，结合无线通信网络中簇的概念和FBR（Focus Beam Routing）算法、DUCS（Distributed Underwater Clustering Scheme）算法等经典动态路由算法，提出了基于簇结构的动态路由算法（Cluster Based Adaptive Routing Algorithm，CBAR）。CBAR算法分为三部分：簇建立过程，路由建立和维护流程以及数据传输流程。论文详细描述了在带簇结构的水声通信网络中CBAR算法三个部分的详细流程和算法。理论分析表明，CBAR算法在浅海广域大规模水声通信网络中有很高的自适应性。
　　论文采用AuvNetSim仿真平台，选取了四种不同稀疏度的浅海水声通信网络，对本文所提出的CELS算法和CBAR算法进行仿真实验，在定位仿真方面，将CELS算法的结果和ALS算法在同样场景下的结果相比较；在路由仿真方面，将CBAR算法的结果和FBR算法、DUCS算法在同样场景下的结果相比较。实验结果表明，与ALS算法等传统定位算法相比，CELS算法在能耗增加5%的前提下，使未知节点定位的误差减半。CBAR算法同FBR、DUCS等经典路由算法相比，在保持低能量消耗的同时，依然有着95%以上的数据到达率和可以接受的端到端时延值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 水声通信网络简介

1.3 论文内容和结构安排

第二章 水声通信网络中经典的定位算法和路由算法

2.1 水声通信网络的经典节点定位算法

2.2 水声通信网络的经典路由算法

2.3 本章小结

第三章 与定位和路由相关的水声通信技术

3.1 声速测量和计算的技术

3.2 水声通信网络基础

3.3 本章小结

第四章 基于TOA技术和集合运算的水下声通信网络定位算法

4.1 TOA测量模型

4.2 基于TOA技术和集合运算的水下声通信网络定位算法

4.3 CELS算法仿真实验与分析

4.4 本章小结

第五章 基于簇结构的动态路由算法

5.1 带簇结构的水声通信网络

5.2 基于簇结构的动态路由算法

5.3 仿真实验与分析

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 程序清单

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢