水下通信网络及其自定位的系统设计与实现

摘要

水下无线通信网络是目前水声领域的研究热点之一。本文在研究了水下无线通信网络特点及水声信道特性的基础上，设计了一套水声网络节点的系统实现方案，研究了自定位与测距的相关技术，进行了相关的仿真与水池实验，最终完成了一套能够实现自组织网络功能的水下通信网络系统。
　　本文的主要研究成果与创新点如下：
　　（1）设计并研制了1套6节点水声网络系统，包括电子设备的硬件设计研制、软件及代码实现和总体的设计与研制等。该网络节点可实现距离2km、信息速率500bit/s的水声通信、测距、TDMA/ALOHA网络协议、自定位网络协议等功能；
　　（2）提出了一种基于最佳频率的自适应变频测距方法。该方法通过多次迭代计算的方式找出两点间测距最优频率，改善接收端信噪比，最终达到提高测距性能的目的。仿真表明，在信号频带为6-30KHz、距离为0.5-10km时使用基于最佳频率的自适应变频测距方法，能够有效提高测距脉冲接收端信噪比约2至20dB，提高测距精度约0.5-7m。
　　（3）提出了一种高效的节点间测距方法。该方法在测距过程中采用多次请求-应答机制，能够充分利用声信号在水中传播的时延间隔，有效提高了测距工作效率。仿真表明，根据单组发送测距脉冲的次数，可相应提高测距效率1.5-4倍。
　　（4）基于（1）研制的水声通信网络系统，实现了一种自组织水声网络节点自定位方法，工作内容主要包括TDMA时序设计、基于有限状态机的软件编程、网络通信格式化报文设计等，并进行了该方法与DV-HOP的定位仿真对比实验。5节点水池定位实验表明，该方法平均定位误差≤0.5m，达到了应用要求。
　　（5）针对所设计的网络节点系统和自组织水声网络节点自定位方法，进行了通信、测距、TDMA协议、ALOHA协议和自定位相关水池实验。水池试验证明，该水声通信网络节点系统工作可靠稳定，能够为水声网络相关功能的实现提供保障，对水声组网工作的开展有着重要的工程实用价值。

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目录

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2海洋声学特性

1.3水声信道特点概述

1.4水声网络结构及其特点概述

1.5水声网络的国内外研究现状

1.6论文主要内容

第2章 水声网络节点的设计与实现

2.1网络节点硬件系统设计

2.2通信系统软件系统设计

2.3系统整机效果图

2.4本章小结

第3章 水声网络的自定位与距离测量技术

3.1典型节点自定位方法及其性能评价

3.2四种典型的测距方法性能分析与比较

3.3基于最佳频率的自适应变频测距方法

3.4一种高效的节点间测距方法

3.5本章小结

第4章 一种自组织水声网络节点自定位方法

4.1一种自组织水下网络节点自定位方法

4.2一种自组织水下网络节点定位方法的算法仿真

4.3网络通信格式化报文设计

4.4基于有限状态机的软件编程及实现

4.5本章小结

第5章 自组织水声网络水池实验

5.1系统实验内容、步骤与结果

5.2实验误差分析

5.3本章小结

第6章 全文总结及工作展望

6.1全文工作总结

6.2后期工作展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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