水下传感网络框架下的移动数据采集和传输技术研究

摘要

随着人们对海洋科学研究和商业开发兴趣的日益增加，点对点水声通信技术的不断进步和自主水下航行器技术的进一步发展，水下传感网络正成为海洋研究中的热点。利用水下传感网络，快速、有效地获取海洋环境变化的信息参数，对于开发海洋和研究海洋具有重要的应用价值。
　　本文在面向环境监测的水下传感网络的框架下，以自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle，AUV)作为水下传感网络中的移动节点载体，研究环境数据的采集和网络化传输。论文结合水声信道的物理特性和声信号在水中的传播特性，建立了水下传感网络数据传输的能量消耗模型，并设计了基于地理位置的节能路由选择算法。该路由针对网络中不同类型的节点，分别采用航位推算算法和迭代三边定位技术获取节点位置信息。论文还分析了影响定位精度的各个因素，在固定节点位置信息的获取中，对参与定位的锚节点选取进行了更为严格的约束，在一定程度上提高了定位的精度。论文在节能路由算法的基础上，针对水下网络需要长时间工作的特点，利用能量相关的最佳传输距离，并综合考虑网络中节点剩余能量，设计出更加合理的路由转发准则以延长网络的生存周期。仿真结果表明，相对于之前的节能路由，该改进方案使网络生存周期得到了很好的改善。
　　论文还设计并实现了一整套基于AUV移动节点的数据采集和传输系统，该系统结合AUV移动平台的特点，采用并行处理机制，提高了数据处理效率，并加强了可靠性设计，可通过水下传感网络实时上传采集数据进而实现对水下环境的监测。该系统的效能在千岛湖湖上组网试验中得到了较为充分的验证。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及论文安排

1．4 本章小结

第2章 水下传感网络概述

2．1 水下传感网络的组成和结构

2．1．1 水下传感网络节点的组成

2．1．2 水下传感网络结构

2．2 水声信道

2．2．1 海水中的声速

2．2．2 海水中声信号的传播损失

2．2．3 多径传播

2．2．4 海洋环境噪声

2．3 网络数据传输关键技术

2．3．1 水声通信技术

2．3．2 节点定位技术

2．3．3 路由选择技术

2．4 本章小结

第3章 节点定位技术

3．1 移动节点位置推算及误差分析

3．1．1 移动节点位置推算

3．1．2 误差分析

3．1．3 AUV试验数据处理和分析

3．2 网络固定节点位置估计及误差分析

3．2．1 网络节点位置估计

3．2．2 迭代定位算法

3．2．3 误差分析

3．2．4 迭代定位算法改进

3．2．5 仿真验证及分析

3．3 本章小结

第4章 路由选择方案设计

4．1 点对点通信能量消耗模型

4．1．1 能量计算模型

4．1．2 AN积及带宽、发射功率和最佳频率

4．2 直线网络性能仿真分析

4．3 节能的网络路由选择方案

4．3．1 最佳传输距离

4．3．2 节能路由选择方案

4．3．3 节能路由选择方案仿真分析

4．4 改进的路由选择方案

4．4．1 路由热点及网络生存周期

4．4．2 改进的路由选择方案

4．4．3 路由选择方案仿真分析

4．5 本章小结

第5章 数据采集和传输系统设计

5．1 “海豚一号”AUV及传感设备

5．1．1 “海豚一号”AUV

5．1．2 “海豚一号”传感器设备

5．2 数据采集和传输系统结构

5．3 系统硬件设计

5．4 系统软件设计

5．4．1 下位机软件设计

5．4．2 上位机软件设计

5．5 本章小结

第6章 水下传感网络组网试验

6．1 系统试验环境及网络概况

6．1．1 实验环境

6．1．2 网络概况

6．2 试验过程

6．3 试验结果

6．3．1 采集试验结果

6．3．2 传输试验结果

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 主要创新点

7．3 前景展望

参考文献

附录

作者简历