水下声传感器网络通讯系统的研究

摘要

水声网络由于其在渔业、工业和国防等领域的广阔应用背景，近年来得到的国内外研究者的普遍重视并取得了蓬勃的发展。作为传感器网络的重要分支，水声传感器网络具有非常鲜明的特点，使得许多原本适用于陆地上的传感器网络技术、协议及算法无法满足水下环境的特殊要求。
　　目前已提出的水声网络协议尤其是MAC层协议几乎没有明确提出它的现实应用背景，仅针对水声信道特点（例如低带宽、高时延）对协议进行设计或改进。目前还没有能够直接应用在实际水下项目中成熟MAC协议，因此需要设计出更加实用化的水声网络MAC层协议。
　　本文首先总结了水声网络的国内外研究现状，然后分析了水下声信道的特点以及其在水声网络协议设计产生的影响。
　　其次对水声Modem的收发电路进行了独立的设计，选取型号为DYW-28-GCWJ水声换能，器型号为TMS320C6747的低功耗DSP作为传感器节点的处理器，利用跳频通信的算法完成了水声文本通信。
　　再次介绍了水声网络MAC层协议的主要技术挑战并分析了近几年来在高水平杂志中发表的针对水声网络提出的MAC层协议的优缺点且做了比较详细的分类研究。
　　最后提出了MAC层协议实用化的几点改进机制，采用了主从式和多跳式相结合的拓扑结构，设计了启动唤醒机制、报警触发机制和中继转换机制降低能耗;引入AUV/UUV校准模式统一所有节点的时钟，消除由时钟漂移带来的问题。通过仿真，可以得出采用上述机制网络能有更好的实用效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本课题的研究背景

1．2 本课题的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要工作

2 水声通信及水声网络的综合分析

2．1 水声信道的特点

2．1．1 传播延迟

2．1．2 传播损失

2．1．3 多途效应

2．1．4 环境噪声

2．1．5 多普勒频散

2．2 网络拓扑结构

2．2．1 集中式拓扑

2．2．2 分布式拓扑

2．2．3 多跳式拓扑

2．3 网络体系结构

2．3．1 二维监测网络

2．3．2 三维监测网络

2．3．3 带移动节点的监测网络

2．3 网络协议的分层结构

2．3．1 物理层

2．3．2 数据链路层

2．3．3 网络层

2．4 本章小结

3 水下跳频通讯的研究与DSP实现

3．1 跳频通信概述

3．3．1 扩频通信原理

3．1．2 跳频通信的信号分析

3．2 水声Modem收发电路的设计

3．2．1 水声换能器

3．2．2 发射电路模块

3．2．3 接收电路模块

3．3 基于TMS320C6747水下跳频通讯的实现

3．3．1 通信系统的结构组成

3．3．2 跳频图案的设计

3．3．3 跳频通信软件流程图

3．4 本章小结

4 水声网络MAC层协议的比较分析

4．1 水声网络MAC层协议的主要技术挑战

4．2 水声网络MAC层协议的分类研究

4．2．1 固定分配类

4．2．2 随机竞争类

4．2．3 混合类

4．3 本章小结

5 水声网络实用化MAC层协议的几点改进研究

5．1 引言

5．2 几点改进机制

5．2．1 定时上传模式

5．2．2 启动唤醒机制

5．2．3 报警唤醒机制

5．2．4 中继转换机制

5．2．5 时钟漂移修正机制

5．3 仿真建模

5．3．1 传感器节点模型

5．3．2 水声网络拓扑模型

5．4 仿真结果分析

5．4．1 端到端时延

5．4．2 能量有效性

5．5 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢