基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究.doc

中国海洋大学硕士学位论文基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究姓名：潘文利申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：郭忠文20090601耗等多方面的比较。采用直接传输机制的无线传感器网络，距离基站最远的节点最先死亡；采用多跳传输机制的无线传感器网络，距离基站近的节点最先死亡。而采用文章提出的路由算法，传感器节点的能耗相对比较平均，并且无线传感器的生命周期也明显延长。关键词：无线传感器网络，网络生命周期，混合传输机制节能（），（），（），；，（），：，独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得洼！垫邀直墓丝盂要挂别虚盟丝！奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字吼哗多月扩日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：签字日期钟多月扩曰朋怎尹都沙茕阳甜粹镌签基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究引言近年来，随着微处理器和无线通信技术的不断进步，产生了能够进行局部信息处理和无线通信的分布式设备，这种体积小、价格低廉且低能耗的节点被称作传感器节点【。每个传感器节点仅能进行有限的信息处理，但是大量节点相互协作就可以详细观测一个给定物理环境的特定信息。大量这样的传感器节点通过无线通信技术自组织就构成了无线传感器网络。无线通途媒介可以是红外设备或者无线电波等。与传统的有线网络不同，无线传感器网络是依靠密集的散布以及节点之间的相互协作来完成它们的任务【。无线传感器网络由大量无线传感器节点互连而成，是传感器向微型化、智能化和无线通信化的延伸。根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为静态网络和动态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络中，传感器节点被随机地或按一定要求布置在监测区域内，并根据用户的要求，可对温度、湿度、噪声、光强度、压力等环境参数进行测量，或者感知物体的运动速度和方向等。在动态网络中，传感器节点一般被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物，它将随物体的移动而移动。由于无线传感器网络应用前景广阔，它己经成为国内外的研究热点。最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为数不少的无线传感器网络已经开始投入到实际应用中。目前无线传感器网络的应用主要集中在环境的监测和保护、医疗护理、交通、军事等领域，另外无线传感器网络在一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，也具有很高的应用价值。节点能够自主地采集周围环境的数据并将其向终端传输，是无线传感器网络应用与设计的核心问题。其广阔的应用前景，使得对无线传感器网络的研究与开发成为目前信息领域的一个热点，学术界和产业界对它投入了极大的研究热情。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。近年来，我国的一些著名高校也展开了这一领域的研究工作，如国防科技大学的相关科研人员在卢锡城院士的带领下己在该领域进行了前沿性的探索研究，内容包括无线传感器节点的硬件设计、操作系统设计以及无线传感器网络的路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。我们实验室也在国家重点基础研究发展计划基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究计划“无线传感器网络的基础理论及关键技术研究”等项目的支持下组建了水面受限浮动传感器网络实验系统。作为一项正在发展中的技术，无线传感器网络还有许多技术问题需要解决。无线传感器网络应能达到以下要求：（）低能耗。低能耗的要求基于两种原因：一是由于传感器节点的体积小，因此能量供给有限：二是由于传感器网络的工作环境往往难以更新电池或因更新代价大而不可操作。节点的能耗大小对无线传感器网络的生命周期具有重大影响，是其核心优化目标之一。（）可扩展。由于传感器节点可能非常多，因而要求其应用的各项技术能有效用于大规模网络。（）自适应。能够适应环境、网络拓扑等动态变化以及网络的高冗余特性等。（）简单。由于传感器节点的能力受限，因而现实可行的技术应简单有效。针对无线传感器网络的诸多要求和特点，目前围绕这一领域的研究内容很多，主要可分为节点层面和网络层面两大部分。在节点层面的研究内容主要包括传感器技术、低功耗芯片技术、无线通信技术等，网络层面的研究内容主要包括低能耗路由技术、低能耗协议、协同定位技术、时钟同步技术、数据融合技术等。以往的研究表明在未来很长一段时间内电池的容量不会有很大程度上的提高。正是因为电池容量的限制，节能问题成为无线自组网中需要关心的一个关键问题。有大量的研究工作讨沦了如何管理节点能量的使用，对从物理层到应用层的各个协议层进行优化，从而减少能量的消耗，延长网络生命周期。在能耗方面，传感器节点的通信被认为是消耗能量的主要原因【，节约能量的方法主要包括：（）通过对数据的本地处理，减少数据传输量【】。（）通过多跳数据中继】【，减少通信传输功率。（）通过减少诸如：数据碰撞产生的重传、过度信道侦听、额外交换控制数据【】【等产生的能量浪费。节能问题是一个贯穿自组网研究中众多问题的核心问题，文章主要研究针对在网络层研究低能耗技术以延长无线传感器网络的生命周期。无线传感器网络是由多个传感器节点构成的，数量巨大，而且长期在无人值守的状态下工作。它们的能源主要是靠能量有限的电池供电【。这就要求网络中节点的平均能耗必须比现有的无线网络（如）中的能耗更低。能量的基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究制约直接影响到网络的其它研究和未来的发展应用，因此，节能操作现在已经成为无线传感器网络的一个关键技术【。影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期。延长网络生命周期是无线传感器网络的一个重要的目标。不均衡的能耗在很大程度上影响了网络生命周期。能量不均衡就是在无线传感器网络中，存在某些节点因为某些原因（如传输距离过长、负载过重等原因）消耗了过多的能量而造成过早死亡的问题。当这些节点能量消耗殆尽，网络崩溃时，仍然还有许多节点剩余大量能量而不能得到利用，这就造成了资源的浪费。网络的使用寿命和服务质量是矛盾的，投入更多的能量可以提高服务质量但是减少了工作寿命。权衡二者的关系是一个关键问题。对于网络生命周期，引入比较普遍的两种定义【】。定义一（）把无线传感器网络中的一个或部分节点死亡的时间作为网络生命周期，在这篇文章中我们用来定义。定义二（）把网络中所有的节点都消耗完能量，也就是直到最后一个节点死亡的时间作为网络生命周期，在这里我们用来定义。由于网络生命周期的定义不同，基于不同定义的节能研究方案也就不同，所以研究延长网络生命周期的算法也有不同的侧重点。目前，很多的文章的研究重点都是针对第一种定义方法，通过平衡网络的能源消耗来延长网络生命周期。人们提出的用以延长网络生命周期的典型节能策略主要有休眠机制、数据融合、冲突避免和纠错及多跳短距离通信等，它们应用在计算和通信的各个环节【引。本文研究了水声无线传感器网络路由层协议的节能问题，提出了基于概率混合传输的路由协议，针对线形和圆形的网络模型使用最优的传输距离使得能量消耗最小化和网络生命周期最大化。本文主要工作归纳如下：第一章介绍水下无线传感器网络的特点、网络体系结构、网络层次结构、水声传播特征、研究发展情况等。第二章分析了典型的无线传感器网络生命周期延长策略。第三章研究了基于混合传输的线形网络生命周期延长策略。线形网络作为基于混合传输的水卢传感器网络生命周期延长策略的研究最简单的网络类型之一，在线形网络中我们可以充分分析跳距对网络生命周期的影响。推导且分析了多跳时最优的多跳距离。在此基础上，提出了线形网络的生命周期延长策略，最后作了总结。第四章研究了基于混合传输的圆形网络生命周期延长策略，本章是文章的重点。首先提出了基于概率的混合传输模式，并计算出多跳时最优的多跳距离。在此基础上，提出了路由协议。并对新的路由算法进行了分析。第五章针对文章第四章提出的新路由协议进行了仿真。从节点耗能、环平均耗能、网络生命周期衡量标准等方面与其它典型的路由算法进行了比较，对比较进行了分析。第六章对本文所做的研究工作进行了总结，并阐述了下一步要继续研究的问题。基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究水声传感器网络研究概述水声无线传感器网络的特点水声传感器网络是陆地无线传感器网络的延伸，陆地上的无线传感器网络使用无线电波进行通信，传播介质是空气，而声波通信的传播介质是水。水下声信号的传播速度比陆地无线信道的传播速度低五个数量级，较大的传输时延会降低系统的吞吐量，消耗较多的能量。声波在海水传播过程中，由于受到海水噪音海平面的波动以及传感器节点的随意移动等影响，水声传播信道具有高度波动性，此外，水面上传感器节点或者位于水下的传感器节点更加容易损坏，此诸多因素使得水下传播信道有更高的数据传播误码率，同时，陆地无线传感器网络协议不能直接应用于水下，必须针对水下通信的这些特点，研究水下通信的新协议。这是一项具有挑战性的工作。水声传感器网络是一种水下无缆通信网络，通常由声波连接的海底传感器节点、自主式水下运载器（）和作为主节点的海面基站组成的无线通信网络。节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。当水下传感器节点收集到数据以后，通过多跳中继方式或者通过中继方式传输到水面基站，从而过一步与等主干网连接，这种配置形成一种交互式环境，在这种环境中可以从多个水下传感器节点中得到实时数据，并把控制信息传送给目标终端。这种结构通信范围广，距离远，而且单个传感器节点功耗小，适用于浅海分布的传感器网络。由于水声传感器网络的应用环境，与陆地无线传感器网络有如下异同：（）两者都属于无线通信网络水声传感器网络由位于海面或者海水中的传感器组成，通过海面浮标的有线或无线网络连接到岸上。然而由于所耗的费用、环境条件和船运等原因，我们无法在海地和海面浮标之间架设电缆。因此，理想的水下通信是从传感器向终端用户通过无线声波发送数据或在岸上远程控制水下设备，所涉及的水声传感器网络均属于无线通信网络。基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究（）水声传感器网络节点是运动的由于海水涨潮、落潮、大型哺乳动物的活动和航运等原因，水声传感器网络中的节点并非静止不动，每个节点都可能以任意速度或随机地在网络中移动，这无疑增加了设计网络协议的难度。（）动态的网络拓扑结构由于网络中的每一个节点都可以自由地、相对独立地运动，加上信道内的各种干扰、水下地形变化等因素的影响，水声传感器网络的拓扑结构可随时变化。更重要的是，网络拓扑结构的变化是随机的、频繁的，而且是不可预测的。（）自动组网能力一些水下应用要求网络在没有进行周密计划的情况下迅速布置好，例如在军事和民用的营救任务中。因此网络中应该能够决定节点的位置和自动配置自己来提供有效的数据通信环境，并且如果事务处理中心发生变化或者一些网络节点失败，网络应该能够自主地、动态地重新进行配置来继续工作。因此，无线传感器网络适合水下的应用环境。（）传输带宽受限水声传感器网络中的传输带宽【拍是变化的，而传输带宽体现在链路的容量上。一般地，水下无线链路的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声、和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低很多。（）节点能量受限水声传感器网络中各传感器节点和其他设备主要是由电池供电，因此它是一个能源受限的系统。在岸上更换系统的无线调制解调器比较容易，但是对于放置在水下的终端节点来说，更换调制解调器比较困难，更需要较长的返航时间、较多消耗的资源和较高的使用费用，所以为了能够延长节点的运行时间，一个最重要的网络协议设计准则是要尽量节约资源，具体措施是减少重发数据的次数、不发数据时或数据在信道传送过程中关掉电源进入睡眠状态和以实际需要的最小功率进行发射。这样，每个节点的无线覆盖范围受到了限制。基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究无线传感器网络的体系结构传感器网络的拓扑结构传感器网络节点通常散布于待监测地域。由于受到测量范围和测量准确度的限制，传感器网络节点一般只能覆盖环境中一个有限的地理区域。网络中的各个传感器节点具有数据收集和将数据路由到接收器的功能，图卜为多次路由将数据传输到接收器的示意图。接收器可以通过有线网络或卫星与任务管理节点通信，将感知、采集的信息，发布给观察者【】。标区域图传感器网络节点功能结构为了实现对目标区域的远程监测，每个传感器节点部署在监测区域附近，每个节点都可以采集数据，并通过预先定义的路由方式把数据传送到（基站节点）。也可以用同样的方式把信息发给各节点。节点与传感器节点有所不同，该节点计算能力强，无线通信能力和抗干扰能力也很强，它可以连续获得能量，所以寿命长，因此在实际研究中我们一般不考虑基站节点的能量消耗问题；但因基站节点远不如普通节点经济，在实际网络部署中一般数量很少。基站节点主要作用在于发布数据收集指令，控制传感器网络各节点的行为，监测网络运行状况，处理各节点采集的数据，如聚合计算，形成用户所需的有用信息。该节点同时兼具互联网的终端身份，所以，互联网上的授权用户可以与其联系，获取监基丁二混合传输的水卢传感器网络生命周期延长策略的研究控区域的数据。直接与卫星或者等通信设备相连，通过卫星或者实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信【。在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这部分组成（见图卜）。根据具体应用需求，还可能会有定位系统以确定传感节点的位置，有移动单元使得传感器可以在待监测地域中移动，或具有供电装置以从环境中获得必要的能源。传感器感知模块负责感知、获取外部的信息并将其转换为数字信号。信息处理模块负责管对整个传感器节点自身采集的数据或者其他节点发送来的数据，进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。无线通讯模块负责与其他传感器节点进行通讯。还有软件，为传感器提供必要的软件支持。其中，电源为传感器提供正常工作必须的能源。微机电系统（）技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线电射频（）技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的传感器成为可能。它们可以被密集的应用到陆地传感器网络中。但是由于海洋环境复杂，海水腐蚀性强等情况，传感器开发成本相对比较高，水声传感器网络应用传感器的应用比较稀疏。此外，还必须有些应用相关部分，例如，某些传感器节点有可能在深海或者海底，也有可能出现在化学污染或生物污染的地方，这就需要在传感器节点的设计上采用一些特殊的防护措施。图传感器网络节点结构基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究传感器网络的层次结构无线传感器网络协议体系框架【，可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层，而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。（）物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。例如，在微尘项目中，使用了光介质进行通信。还有使用红外技术的传感器网络，它们都需要在收发双方之间存在视距传输通路。而大量的传感器网络节点基于射频电路，本文主要探讨这类传感器网络。无线传感器网络推荐使用免许可证频段（）。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大。并且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因素。然而无线传感器网络的某些内在特征也有有利于设计的方面，例如，高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。目前低功率传感器网络物理层的设计仍然有许多未知领域需要深入探讨。（）数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接：媒体接入控制在无线多跳自组网络中，媒体访问控制（）层协议主要负责两个职能。其一是网络拓扑结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于目标地域，层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。其二是为传感器节点有效合理地分配资源【】。蓝牙和移动网络可能是最接近传感器网络的现有网络。然而蓝牙采用星形网络拓扑结构，并采用集中式分配的时分复用机制，这对于拓扑结构需要基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究经常调整的无线传感器网络来说并不有利。因此，也不能够照搬于无线传感器网络。差错控制数据链路层的另一个重要功能是传输数据的差错控制。在通信网中有两种重要的差错控制模式分别是前向差错控制（）和自动重传请求（）。在多跳网络中的使用由于重传的附加能耗和开销而很少使用。既便是使用方式，也只有低复杂度的循环码被考虑到，而其他的适合传感器网络的差错控制方案仍处在探索阶段。（）网络层传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围（见图卜）。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。传统的网络多基于点对点的通信。而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，在传感器节点多数使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。此外，与传统的网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率（）路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到。最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由。基于最小跳数路由：在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点。以及基于最大最小有效功率节点路由，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由。传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给终端用户。水声信道特征水声传感器网络是一种可用于海洋监测的无线传感器网络。它是借助于声信号而建立起来的一种无线自组网络，一般是由部署在海中或海面的传感器节点组成。其节点通过水声信道互相通信，将所采集的数据转发至海面的汇聚节点，然基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究后再由汇聚节点进一步通过卫星等方式与岸基（或海基）控制中心连接。这样，就建立了一种交互式的环境，在这种环境中岸上的用户能够实时地存取水下传感器节点的数据，并把控制信息传递给水下传感器节点。水声通信信道与陆地空间无线电通信信道相比，载波频率低，带宽窄，多途传播时延特别严重，多普勒频移的影响很大，传输速率低，水声的传播速率比电磁波的速率低个数量级，且传输时延长，约。所以在设计水声传感器网络协议的时候，必须考虑到水声信道的具体情况，选择适合于水声组网的相关技术。短距离的通讯才有较高的带宽声波在海水中的传播能量受到扩展、吸收、散射、反射等因素影响而衰减。海水吸收所造成的损失与声波的频率成正比，频率越大，吸收损失越大。声波的扩展损失与传播距离成正比，在深海中声波传播距离和带宽最大满足】。因此短距离的通讯具有较高的带宽。传输时延高声波在海水中的传播速度受海水的盐度、温度、压力等影响而变化。声波在海水中传播千米大约需要，声波的传播速度（大约为）比无线电波的速度少了个数量级。传输误码率高由于受海水背景噪音、信道多径传播、阴影区、时延动态变化以及水声传感器节点可能的移动等影响，在声波传播中水声传播信道呈现出高误码率和高度动态性。另外水下传感器节点处在水下环境中更易损坏。因此传播信道有更高的传送失败率。发送比接收耗能大在陆地无线传感器网络中，发送信息通常比接收信息耗能略小。但对于水声传感器网络而言，发送信息耗能却是接收信息耗能的三倍之多，因此，对于水声传感器网络，我们主要考虑数据包的发送能耗。由上述讨论可知如何有效提高水下通讯效率、降低网络能耗是水声传感器网络面临的严峻问题。它本身的特点也决定了节点存在以下两个约束：（）电池能量有限水下传感器节点通常携带能量十分有限的电池且不易补充。由于水下传感器基丁混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究节点分布海洋区域广，而且海洋环境复杂，海洋传感器通常不会再次被获得，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量是水声通信网络面临的首要挑战。（）通信能力有限水下通信的传播损失与通信距离和发射频率有关。随着通信距离的增加，传播损失将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。考虑到传感器节点的能量限制和系统覆盖区域大，水声通信网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的通信带宽非常有限，通信距离与通信速率的乘积大约为浅海矛深海左右。水下通信环境极其恶劣，通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。因此如何设计高效的网络通信机制以降低网络能耗是水声通信网络面临的挑战之一。本文第三、四章将给出一种基于混合传输的水声传感器网络节能路由算法，以延长网络生命周期。研究发展情况近十年来水声传感器网络技术已经取得了很大进步。随着水下通信信道的可靠性的提高，水下通信系统已经能够实现点对点的实时通信。目前水声传感器网络的研究热点是在一个网络内实现点对点的实时通信来满足各种各样的要求，如环境数据的收集、污染监测等。水声传感器网络的一个主要限制是传感器节点的能量有限。陆地无线传感器系统的无线调制解调器的替换比较容易，而水下调制解调器的替换则要涉到航海时间和从海底取回来的时间，但是从海底返回的调制解调器的时间比较耗时，造成了通信的延迟。水声传感器网络的个别应用要求网络在没有提前进行周密部署的情况下进行工作，例如在营救的任务中。因此，在这种网络中应该能自动确定传感器节点的位置（即进行快速地传感器节点定位）和自动配置系统来提供一个有效的数据通信环境，并且在进行信息处理的过程中如果通信信道发生变化或者某些传感器节点死亡时，网络能够快速、动态地重新进行自我配置以保证继续工作。水声传感器网络节点定位是传感器网络系统的关键技术之一【。水声传感器基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究网络的许多应用需要位置信息，比如海洋环境监测信息、基于地理位置的路由协议和目标的监测与追踪等。水声传感器网络的定位有以下特点：（）在水下不能直接应用。（）水下通信信道带宽低，这们就使得像通信开销较大的通信协议不适合于水下。（）水下定位需要一定数量的固定节点，而固定节点的位置会影响到定们的精度，但是在海水中做到节点的固定又相当困难。水声传感器网络节点定位根据距离的不同分为两种：基于测距的定位和基于非测距定位。基于测距的定位首先进行两点测距，再利用三边等几何特性进行定位。测距方法有、辅助等。主要根据信号的强度，而信号强度随着水下信道变化具有很高的时变性。利用这种方法进行传感器节点的定位会造成定位的不准确【】。辅助算法【】的思想是周期性地发送包含自己位置信息的信标。传感器节点利用往返时延，使用声波的速度计算两者的距离。由于声波在水下的传播速度是可变的，造成测量距离的准确性下降。基于非测距定位的主要思想是通过其它信息进行节点的定位。主要有交叠区域定位、多跳距离定位等。比如利用水声节能器的方向角进行水下定位的算法，它将方向水声换能器安装在的，一边按照预先设计好的路线在节点部署区时巡游。一边发射包含自己位置信息的信标。节点利用听到的第一个和最后一个信标就可以定位出自己的位置。定位的优点在于待定位的传感器节点不需要与信标节点进行通信，从而节省了定位所需的能耗，但是却增加了额外的经济开销。典型的生命周期延长策略性能指标对于传感器节点能量比较有限的水声无线传感器网络来说，路由协议设计的主要目标即减少节点能量消耗和尽量使各个传感器节点的负载与耗子能比较平基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究均，以提高网络生命周期。评价一个水声传感器网络的路由设计是否合理，通常有以下几个性能指标：（）能源有效性无线传感器网络的能源有效性是指网络在在限的能源条件下能够处理的请求数量，能源在效性是传感器网络的一项重要性能指标。（）时间延迟无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到应答信息所需要的时间。影响无线传感器网络时间延迟的因素有很多。时间延迟与应用密切相关，直接影响到水声传感器网络的可用性和应用范围。（）容错性水声传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效。由于环境或其他原因，物理的维护或替换失效的传感器常常是十分困难或不可能的。这样，水声传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有较高的健壮性。当水下无线传感器网络出现软、硬件故障时，系统能够自动调整或自动重构。目前人们提出的生命周期延长策略主要有体眠机制、数据融合、冲突避免和纠错及多跳短距离通信等，它们应用在计算和通信的各个环节。典型的生命周期延长策略休眠机制在传感器网络中，网络接口大部分时间是空闲的，如果当接口不用时，使其处于休眠状态，可以节约电源。但是一个节点可能不产生数据包，它却有可能要参与数据包的转发。所以节能要综合考虑这两个方面，既能使尽可能多的节点处于休眠状态，减少电源的消耗，同时保证网内的任何节点间能进行数据的传输。可以在无线网络的拓扑结构上构造虚拟主干网，在虚拟主干网内的节点处于能监听的唤醒状态，负责包的接收和转发，在虚拟主干网外的节点处于休眠状态。在大规模传感器网络中，通过构造多个虚拟骨干网，使其轮流工作，可以有效的节省能量【。基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究休眠机制的主要思想是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信模块处于空闲状态，把这些组件关掉或跳到更低能耗的状态，即休眠状态，该机制对于延长传感器节点寿命非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定能量，并产生时延，所以状态转换策略对于传感器机制非常重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。休眠机制主要体现在这几方面：硬件支持：目前很多处理器，如和等，都支持对工作电压和工作频率的调节。而且，现有的无线收发器也支持休眠，还可以通过唤醒装置唤醒休眠中的节点，从而实现全负载周期的低功耗。动态电压调节算法：这是由等人提出的，其工作原理事计算负载较低时，降低微处理器的工作电压和频率，虽然处理能力低了，但是能耗也降低了。采用休眠机制的协议：现有的很多无线传感器网络的协议都采用了休眠机制，其中包括、等。数据融合相对计算所消耗的能量，无线通信所消耗的能量更多。例如，分析得到传感器节点使用无线方式传输比特到米远所消耗的能量可供执行条指令。传感器节点采集到的原始数据量非常大，同一区域内采集到的数据具有很大的冗余性。通过本地的计算和融合，原始数据可以在多跳数据过程中得到一定程序的处理，仅发送有用的信息，有效地减少了通信量。数据融合的节能方法主要体现在路由协议的实现上。路由过程中的中间节点并不是简单的转发所收到的数据，由于同一区域内采集到的数据具有很大的冗余性，中间节点需要对这些数据进行数据融合，将经过本地融合的数据路由到汇聚点，只转发有用信息。数据融合有效降低了整个网络的数据流量，从而降低了通信耗能。关于传感器网络协议的研究，存在两种假设情况：一个是使用完全的数据融合，另一个是不使用数据融合。为了降低能量消耗，一些网络协议采用了完全的数据融合【，】。分簇协议是设计可扩展的传感器网络协议的基本机制，基于选定簇首的若干簇将网络分成若干不相交的节点集合。假设簇首有基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究完全的数据融合能力，将搜集到的来自簇成员的所有数据包融合成一个数据包。然后，簇首将数据包发送给基站。一些基于多跳的网络也使用这个假设。数据融合降低了普通节点的通信负载，因此，节省了更多能量。然而，完成数据融合工作的节点会消耗更多的能量，设计路由协议融合数据策略时，还应该考虑节点负载的均衡问题。从整个网络来看，应该平衡使用各个节点的能耗，否则某些节点过早地耗尽能量会导致缺少某些区域的节点甚至网络死亡。冲突避免和纠错无线传感器网络大规模、高密度的特点使相邻节点同时发送数据包的可能性极高。如果多个数据包同时发送，信号可能会相互重叠，导致接收方难以辨认自己想要的数据包，可能需要数次重传才能把信息正确发送到目的地。冲突会造成很大的能量浪费，因此，减少冲突可以有效节约能量。目前在随机竞争方式的信道接入机制中主要采用三种方式避免冲突问题：使用网络分配向量（）；使用和机制，但是它增加了数据包的数量，并且不适合用于广播通信方式。将长数据包分解，通过随机发送的方式避免发生冲突时对照长数据包的重传。此外，增加错误检测可以尽早发现问题，纠正机制可以校正少量数据包的错误。错误检测和纠正机制可以在给定比特错误率的条件下有效减少数据包的重传，从而降低能耗。目前还未见过针对无线传感器网络的检测和纠机制进行的研究。本章小节本章总结了水声传感器网络路由设计的。工鲁用匕指标，并说明了传统的延长生命周期的几种策略，如休民机制、数据融合机制。它们都有自己的优点和缺点，也有自己的适用范围，例如完全数据融合可以很好地解决冗余传送数据包的问题，但在有些实际应用中我们并不需要数据融合，而是节点采集到的实时数据。通过基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究本章的介绍，可以了解到无线传感器网络能量消耗的相关知识以及当前节能研究的发展状况，并且可以对网络生命周期的概念有明确的理解。为后面讲述文章提出的延长生命周期的策略做了必要的铺垫。基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究基于混传的线形网络生命周期延长策略引言在第一章中我们就知道，无线传感器网络是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统，有着广阔的应用前景，与陆地无线传感器网络不同的是，在水声传感器网络中，节点在初次布置以后，更换电池十分不方便甚至不可能，水下网络传感器要尽可能在十分有限的电池能量下来完成较大的数据处理、信息传输等要求，因此降低网络能源消耗，延长网络生命周期成为一项非常重要的任务。线形网络是最简单的网络模型之一。为了研究在混合传输过程中最优跳距的值，我们先以线形网络作为研究模型。即以最小化一条直线上节点的网络总能耗为目标，推算出混合传输时多跳时的最佳跳距。能量模型在传感器网络中，由于感知和计算的能量消耗要比通信消耗小的多，所以在这里我们的能量消耗模型仅考虑通信能耗，即传送数据和接收数据所消耗的能源。使用文献提出的能量模型如下：位数据传输厂距离的传输能耗为：骂以力购弓肛力巨乞矿（）接收位数据的能量消耗为：天【（）其中，运行发送和接收电路所需的无线通信能耗妇，路径损耗指数口（，）或者口（，），门限距离，是发送和接收电路参数：）乞即（口）基于混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究混合传输时的最优跳距节点与网络中的各个传感器节点近似分布在一条直线上，传感器节点在某一次数据传输过程中以多跳方式将数据包传给下一跳节点。此节点发送一次数据包所消耗的能量总和，依据提供的能量公式可以描述为：骂以）彳嘞心）矿骗（）其中，”表示多跳负载，是节点传向下一跳节点的数据包的个数；表示单跳负载，是节点直接传向基站的数据包的个数。二表示节点接收上一次节点所传数据包负载。如果当前节点位于网络的最边缘，则此节点的接收能耗肘二为零。假设是任一传感器节点的多跳概率，由公式（）可得：（一）假设每个传感器节点发送的数据包的个数已知，则：丁晨？棚只卅一小册肌川一所川尸脚川一朋小，小者等脚一垅一，卯一，卯一把公式（）及的计算方式可以得到：一基丁混合传输的水声传感器网络生命周期延长策略的研究，（出口叩舻）乙而（一，）。，船地唧）乙而鼻嘲由任意一个节点的能耗计算公式（），可以得出整个线形网络中节点的路径能量消耗：红等半丁孚仔，对。求二阶导数并令其等于：总三一脚）脚）肌占：卜一（）！互璺竺：三三婴竺（）（）求解公式（）就能得出线形网络的最佳跳距。可以根据线形网络的最佳跳距，得到二维网络的最佳跳距。由于网络分布如图所示，节点只沿方向传输数据，这时线形网络