（通信与信息系统专业论文）水下无线传感器网络mac协议仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代信息技术的不断进步 无线传感器网络的研究也随之飞速发展 但由于水 声通信不可忽略的物理约束 在现有无线传感器网络中使用的m a c 协议大都会变得不 再适用 基于多址访问的m a c 协议 例如f d m a t d m a 和c d m a 都不太适用于水 下无线传感器网络这一特殊的通信环境 水下无线传感器网络信道的高延时等特点 又使得在m a c 协议设计中必须尽量减少或避免水声信道的访问冲突 因此采用信道预 约方式的随机接入型m a c 协议成为了水下无线传感器网络的首要选择 论文的主要工 作是通过仿真研究的方法 对适合于水下无线传感器网络的两类m a c 协议进行仿真分 析 揭示影响其性能的关键因素 为后续改进相关协议奠定基础 由于m a c a w 协议通过r t s c t s 预约信道 可以有效地避免信道冲突 该协议 在网络业务量较大的情况下仍然适用 所以论文首先研究这一经典的信道预约m a c 协 议 并在o p n e t 仿真平台上验证其在水下无线传感器网络环境下的性能 在分析和讨 论影响其性能的相关因素的基础上 提出对其改进的一些初步的思路和方法 并通过 仿真验证了相关改进思路和方法的有效性 此外 论文分析了另外一种应用于水下无 线传感器网络基于信道预约的t l o h i 协议 由于t l o h i 协议简化了信道预约交互所需 次数 可以有效地降低了网络平均延时 同样在基于o p n e t 仿真平台下对t l o h i 协 议进行仿真建模的基础上 通过仿真研究的方法验证了t l o h i 协议在水下无线传感器 网络环境下的性能 在分析和讨论影响其性能的相关因素的基础上 论文提出了改进 方案 并结合仿真结果加以分析讨论 论文的相关仿真分析表明 在水下无线传感器网络环境中 m a c a w 协议和t l o h i 协议在数据包发送成功率 节点平均吞吐率 网络平均延迟方面都能取得较好的性能 对比两类协议 t l o h i 协议采用侦听预约帧的方式来代替r t s c t s 握手预约信道 可 以在有效减少访问冲突的同时 大幅度减少网络接入延迟 所以t l o m 协议在数据包 发送成功率 网络吞吐量 网络延迟这三方面的性能上表现更为优异 在考虑对 m a c a w 协议改进时 对于m a c a w 协议 论文考虑引入额外的信道侦听机制 当节 点侦听到r t s 帧的目的地址不是自己时 将会进入睡眠状态 此时就算有上层数据需 要发送也会缓存到下一时刻才发送 仿真验证表明 改进后的m a c a w 协议无论在数 据包发送成功率还是网络吞吐量性能都有提高 在考虑t l o h i 协议的改进时 论文提 出将预约信道时间段从节点间最大距离所需传输时间的2 倍 缩短为1 倍 通过仿真 验证 在数据包发送成功率没有明显变化的情况下 可有效减小网络延时 论文通过对水下无线传感器网络的m a c a w 协议和t l o h i 协议的仿真研究工作 为进一步优化适合于水下无线传感器网络的m a c 协议进行了初步的探索和尝试 也为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼 曼曼鼍曼曼毫曼曼i i 一一 一一 鼍曼皇曼 皇曼曼曼 曼曼曼曼笪曼曼 鼍 后续的深入研究奠定了基础 关键字 水下无线传感器网络 m a c a w 协议 t l o h i 协议 预约机制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a b s t r a c t w i lt h ep r o g r e s si nm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h er e s e a r c h e so nt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kk e e pt h er a p i dd e v e l o p m e n ta c c o r d i n g l y h o w e v e r d u et ot h en o n n e g l i g i b l e p h y s i c a l r e s t r i c t i o n so ft h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n m o s tm a cp r o t o c o l s a p p l i e di nt h ee x i s t i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb e c o m ei n a p p l i c a b l e m a cp r o t o c o l sb a s e d o nt h em u l t i p l e a c c e s s s u c ha sf d m a t d m aa n dc d m a a r eg e n e r a l l yn o ta p p l i c a b l et o t h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n ti nu n d e r w a t e rs e n s o rn e t w o r k 1 1 1 ef e a t u r e so fu n d e r w a t e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc h a n n e l e s p e c i a l l yt h el a r g et r a n s m i s s i o nd e l a yo fu n d e r w a t e r a c o u s t i cc h a n n e l m a k ei tn e c e s s a r yt or e d u c eo ra v o i dt h em u l t i p l ea c c e s sc o n f l i c ti nt h e d e s i g no fm a cp r o t o c o l s t h e r e f o r e t h ea p p l i c a t i o no fr a n d o ma c c e s sm a cp r o t o c o lb y m e a n so ft h ec h a n n e lr e s e r v a t i o nm e c h a n i s mb e c o m e st h en a t u r a lc h o i c ef o rt h eu n d e r w a t e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t l l i sp a p e rf o c u s e so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft w ot y p e so fm a c p r o t o c o l ss u i t a b l ef o rt h eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i ti se x p e c t e dt h a tt h o s e f a c t o r sw h i c hd o m i n a t et h ep e r f o r m a n c eo fm a cp r o t o c o l si nt h eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kc o u l db er e v e a l e d t h u sl a i dan e c e s s a r yf o u n d a t i o na n db a s i sf o rt h ef u r t h e r i m p r o v e dm a cp r o t o c o ld e s i g n f o rt 1 1 ef u t u r eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i n c em a c a w p r o t o c o lc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec h a n n e lc o n f l i c tb yu s i n gr t s c t s s i g n a l i n ga n dc a no p e r a t ee v e nw i t h ah e a v yn e t w o r kt r a f f i c i tc o u l db eu t i l i z e di n u n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h et h e s i ss t u d i e dt h i sc l a s s i c a lc h a n n e lr e s e r v a t i o n b a s e dm a cp r o t o c o la tf i r s ta n dv e r i f i e di t sp e r f o r m a n c ei nt h ee n v i r o n m e n to fu n d e r w a t e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt h r o u g ht h eo p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r m a f t e ra n a l y z i n ga n d d i s c u s s i n gt h ed o m i n a t i n gf a c t o r so ni t sa c h i e v e dp e r f o r m a n c e t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds o m e p r e l i m i n a r yt h o u g h t sa n dm e t h o d sf o ri t sf u r t h e ri m p r o v e m e n t w h i c hi sv a l i d a t e db yt h e s i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e t h i st h e s i sa n a l y z e da n o t h e rc h a n n e lr e s e r v a t i o nb a s e dm a c p r o t o c o lf o rt h eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k n a m e l y 也et l o h ip r o t o c 0 1 b e c a u s e t l o h ip r o t o c o lc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h en e t w o r kd e l a yb ys i m p l i f i n gt h ei n t e r a c t i o no f c h a n n e lr e s e r v a t i o nm e c h a n i s m t h u sr e d u c i n gt h ei n v o l v e dt i m ed u r a t i o n t h es i m u l a t i o n a n a l y s i st h r o u g ho p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r m a l s oc o n f i r m st h ep e r f o r m a n c eo ft l o h i p r o t o c o li nt h ee n v i r o n m e n to fu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h et h e s i sa l s ob r o u g h t f o r w a r ds o m ei m p r o v e dm e t h o dt or e d u c et h en e t w o r kd e l a y w h i c hw a sv a l i d a t e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l sa sw e l l i ti ss h o w nt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i si nt h i st h e s i st h a t i nt h eu n d e r w a t e rs e n s o r n e t w o r ke n v i r o n m e n t b o t ht h em a c a wp r o t o c o la n dt h et l o h ip r o t o c o lh a v ef a v o r a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v 页 i i i 一 i i 曼曼曼皇曼寡曼皇 皇 舅舅皇曼寡曼曼曼曼皇曼曼曼 p e r f o r m a n c ei nt e r m so ft h ep a c k e td e l i v e r ys u c c e s sr a t i o t h r o u g h o u ta n d n e t w o r kd e l a y m o r es p e c i f i c a l l y t l o h ip r o t o c o la d o p t st h ew a yo fi n t e r c e p t i n gt h er e s e r v a t i o nf r a m et o r e p l a c er t s c t sh a n d s h a k es i g n a l i n g w h i c hc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ea c c e s sc o n f l i c t sa n d m e a n w h i l es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h en e t w o r ka c c e s sd e l a y t h e r e f o r e t l o h ip r o t o c o l o u t p e r f o r m si nt h ea s p e c t so fd e l i v e r ys u c c e s sr a t i o t h r o u g h o u ta n dn e t w o r kd e l a y w h e n c o n s i d e r i n gt h ei m p r o v e dm e t h o d f o rm a c a wp r o t o c o l t h i st h e s i sp r o p o s e dt oi n t r o d u c e t h ee x t r ac h a n n e li n t e r c e p t i o nm e c h a n i s m i ft h en o d ei n t e r c e p t st h a tt h ed e s t i n a t i o na d d r e s s o fr t s 行锄ei sn o tf o ri t s e l f i tw i l lf a l la s l e e p a tt h i sm o m e n t t h er e q u i r e dt r a n s m i s s i o no f u p p e rd a t aw i l la l s ob ec a c h e dt ob es e n ti nt h en e x tr o u n d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t t h ei m p r o v e dm a c a wp r o t o c o lm a ya c h i e v ei m p r o v e m e n ti nd e l i v e r ys u c c e s sr a t i oa n d n e t w o r kt h r o u g h o u ta se x p e c t e do w i n gt ot h er e d u c t i o no f t h em u l t i p l ea c c e s sc o n f l i c t w h i l e f o rt h et l o h ip r o t o c o l t h i st h e s i ss u g g e s t st or e d u c et h er e s e r v a t i o nt i m ei n t e r v a l i ti s s h o w nt h r o u g ht h es i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nt h a t t h ep r o p o s e di m p r o v e d m e t h o dc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h en e t w o r kd e l a yw i t hs m a l ld e g r a d a t i o ni nt h ep a c k e td e l i v e r ys u c c e s s r a t i o t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c h e so nt h em a c a w p r o t o c o la n dt l o h ip r o t o c o lf o r u n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h i st h e s i sp r e s e n ts o m ep r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no nt h e m a cp r o t o c o lf o rt h eu n d e r w a t e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w h i c hw o u l dl a ya f o u n d a t i o nf o r 也ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o na n di m p r o v e dr e s e a r c he f f o r t s k e y w o r d s u n d e r w a t e rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k m a c a wp r o t o c o l t l o h ip r o t o c o l r e s e r v a t i o ns c h e m e 西南交通大学 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 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将本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 和汇编本学位论文 保密口 在一年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密彰 请在以上方框内打 寸 学位论文作者签名 日期力7 汐年7 月 日 指导教师虢而1 却 日期 知扣年7 月6 日 西南交通大学学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 分析了水下无线传感器网络环境下m a c 协议主要技术挑战和设计思路 首先 提出水声通信的物理约束 以及在水下环境中m a c 层协议研究需要面临的 技术挑战 其次 在此条件下 举例分析论证在无线传感器网络条件下m a c 层协议的 设计思路 2 基于水下传感器网络环境仿真分析m a c a w 协议和t l o h i 协议的性能 在o p n e t 平台上仿真分析了m a c a w 协议和t l o m 协议在水下无线传感器网络环境 下的数据包发送成功率 节点平均吞吐率 网络平均延时性能 3 对m a c a w 协议和t l o h i 协议提出了改进思路 首先 对m a c a w 协议和t l o h i 协议提出了改进思路与方法 接着 在0 p n e t 平台 上 对改进方案的有效性作出了验证 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得到的 成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 日期 加乃 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼蔓曼量曼曼 曼曼曼曼曼皇曼ii 一 m m 曼曼皇曼曼曼曼皇鼍曼皇曼曼 第1 章绪论 信息技术每日都在飞速发展 以互联网为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大 而深刻的变化 微电子技术 计算机技术和无线通信技术的进步 推动了低功率多功 能传感器的飞速发展 如今的传感器已经具备了信息采集 无线通信和数据处理等功 能 无线传感器网络 w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 是由部署在监测区域内的大量 的 廉价的传感器节点组成的无线网络系统 无线传感器网络的功用是以协作的方式 感知 采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息 并将这些信息发送给观察者 传感器 感知对象和观察者构成了传感器网络的三大要素 监铡区域 图1 1 无线传感器网络示意图 如图1 1 所示 无线传感器网络系统中的节点按照功能分为监测节点 s e n s o r n o d e 汇聚节点 s i n kn o d e 和管理节剧2 3 三种 大量的传感器节点随机地部署在监测区域 s e n s o r f i e l d 内部或附近 它们通过自组织方式组成网络 监测节点负责感知和收集 外部的数据 收集到的信息通过其它传感器节点逐跳传播 并最终到达汇聚节点 汇 聚节点再通过互联网或者卫星将收集到的信息发送给管理节点 用户可以通过管理节 点配置和管理无线传感器网络 收集监测数据以及发布监测任务 由于硬件的限制 传感器节点所具有的能量 处理能力 存储能力和通信能力都十分有限 加之环境的 影响和自身的能量消耗 传感器节点很容易发生故障 节点的故障和环境的干扰都会 造成无线传感器网络拓扑结构的变化 这为无线传感器网络协议设计带来了挑战 随着无线传感器网络的发展和人们对传感器网络研究的逐步深入 国内外已经提出 了一系列适用于无线传感器网络的协议栈 4 1 这些协议涵盖了物理层 数据链路层 网 络层 传输层和应用层 无线传感器网络的协议栈还包括能量管理平台 移动管理平 台和任务管理平台这三部分 能量管理平台主要负责管理传感器节点能源的使用 力 求节省在每一层上消耗的能量 移动管理平台负责监测和注册传感器节点的移动 维 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼鼍曼曼皇曼i i m i 舅曼曼寰曼鼍曼曼曼皇曼 曼曼邕曼鼍曼曼曼曼 护到汇聚节点的路由 让传感器节点动态地跟踪其邻居节点的位置 任务管理平台负 责在选定区域内平衡和调度监测任务 无线传感器网络集监测 控制和无线通信于一体 通过无线传感器网络直接感知和 监测客观世界 可以广泛应用于军事 医疗护理 环境监测 智能家居 复杂机械监 控 空间探索 仓储管理以及机场安全监测等许多领域 5 1 7 此外 无线传感器网络的 应用环境越来越多样化 从陆地延伸到太空甚至水下环境 近年来 水下无线传感器 网络的发展备受关注 水下无线传感器网络可广泛应用于水文研究 环境保护 海上 油田开发甚至军事领域 水下无线传感器网络为人类对水下未知世界的探索开辟了一 条崭新的途径 1 1 水声通信技术 水下无线传感器网络 u w s n u n d e r w a t e rw h l e s ss e n s o rn e t w o r k 面临的任务是以 水下声学网络作为信息传输的手段 以水下传感器作为信息获取的窗口 并最终以某 种方式把水声网纳入常规网络 把水下数据送往观察者 这就是水下无线传感器网络 未来的应用远景 由于无线电波在水中的传播距离非常短 光也因为在水中受到高衰减和散射的影响 不适用于水下环境 声波几乎是唯一一种能在水介质中进行长距离传输的信息传输手 段 概述起来 影响水声通信的物理因素包括 传播延迟长和延迟方差大 电磁波在空气中的传播的速度是声波在水中的传播速度的2 0 万倍 慢的声速使得 传播延迟很大 每公里约延迟0 6 7 s 同时水声信道的时变特性又使延迟方差很大 显 然较大的传输时延会影响网络的吞吐率 而延迟方差的动态变化会影响一些基于时间 控制的协议的正常工作 传播损失大 也称为路径损耗 根据u r i c k 的传播模型 8 声音在介质中传播时会产生衰减的现象 其原因可以归 结为以下三个方面 1 传播过程中由于波阵面的扩张 引起能量空间扩散 以致于声 波振幅随距离的增加而衰减 这种衰减也常被称为几何衰减 2 在均匀介质中 由于 介质的粘滞性吸收 热传导吸收 以及由其他弛豫过程引起的吸收 导致声强的衰减 这种衰减也常被称为吸收衰减 3 由于介质中的粒子 如泥沙 气泡 浮游生物等悬 浮粒子以及介质的不均匀性引起的声波散射 使得沿原来传播方向的声波能量减少 这种衰减也常被称为散射衰减 即水声信道环境下的传播损耗可以归纳为吸收 扩展 损失 散射和声能泄露出声道效应等 吸收是由于声能转换为热能而引起 它随频率 和距离的增加而增加 扩展损失是指波前扩张引起的声能的扩展 在水声信道环境下 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的扩展损失主要为深海环境下点源的球面扩展 全向扩展 对应的传播损失随距离的平 方而增加 以及在浅水环境下仅在水平面上进行扩展的柱面扩展 对应的传播损失随 距离增加而线性增加 由于声波信号的传播损失随着频率和距离的增加而增加 因此水声信道可用的频段 非常有限 传播距离也有限 因此在水下通信网中要进行长距离通信 只能选择低码 速率 而若要选择高码速率 则只能进行短距离通信 一般来讲 要使传播距离达到 1 0 1 0 0 k m 可用带宽在2 5 k h z 范围 中距离传输 1 1 0 k m 可用带宽在l o k h z 量级 如果希望所用带宽大于l o o k h z 则传播距离必须小于l o o m 多径传输严重 在浅海和远程传播中 由于声源和接收器之间存在着不止一条传播路径 导致多 经传播 多径传播的存在 使得单一声源发出的信号在接收端可以收到多个不同时间 的到达信号 多径传播会引起信号振幅和相位的起伏 由于不同路径的传播时间不同 会引起严重的符号间干扰和信号畸变 在水声信道环境下的多径传播还与声源与接收 机所处的位置和相互间的距离有关 一般来说 若以海底平面为参考 则垂直信道的 多径传播影响小 而水平信道的多径传播影响更大 浅海环境噪声强 水声信道环境下的环境噪声与潮汐 湍流 海面的风浪和雷雨都有关系 此外 船舶噪声也是重要的噪声源 与深海环境下的环境噪声通常较为确定所不同的是 浅 海环境下 特别是近海 海湾和港口等环境下的环境噪声会随时间和地点的不同而显 著地变化 一般来说 浅海环境下的环境噪声主要由船舶和工业噪声 风成噪声和生 物噪声等组成 环境噪声是影响水声信道环境下信号可靠传输的重要因素 多普勒频移严重 水声信道环境下的多普勒频移是由声源和接收器的相对运动引起的 由于声速比 电磁波的速度慢2 0 万倍 即便是很小速度的相对运动都有可能引起明显的多普勒频移 而且由于水下声载波频率较低 这两个因素加起来使得水声信道环境下的多普勒频移 要比空中无线通信要大得多 总之 浅海水声信道在时间 空间 频率上都有扩散 是高度时变系统 并且比 空气中的无线电信道复杂得多 这使得水声通信环境下的信号传输面临严峻的挑战 最早的水声通信研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代采用模拟幅度调制和单边带调制技 术的水下电话 9 2 0 世纪7 0 年代之前有少量的水声通信模拟系统 由于水声混响环境 中实现幅度调制有一定困难 水下数字频移键控 f s k f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 技术因其 对信道的时间 频率扩散有一定的鲁棒性 在2 0 世纪8 0 年代早期开始得到应用 8 0 年代后期出现了水声相干通信技术 l q 2 0 世纪9 0 年代由于d s p d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g 技术和数字通信理论的发展 使得许多复杂的信道均衡技术可以实现 从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼 i ii i z f i b 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼皇 有力地推动了水声相干通信技术的发展 l 2 0 世纪9 0 年代中期浅海环境下水声通信 的速率和距离乘积已经达到了4 0 l a i n k b i t 这使得水声通信网络的建立成为可能 可以 说水声通信网络一个里程碑式的关键部件是水下声学调制解调器的出现 最早的水下声学网络是1 9 9 3 年的自主海洋采样网 美国自1 9 9 8 年开始了称为海网 s e a w e b 拘年度实验 1 2 意在验证水声通信网络的概念 2 0 世纪9 0 年代中期至今 水 声通信技术和水声通信网络技术在同步发展 但由于水介质的特殊性和复杂性 使得 原来适用于陆地环境下的无线网络通信技术往往难以直接应用于水声通信网络 对水 下信道 水下通信 水声通信网络协议的研究方兴未艾 水声通信网络就是以水下声波作为信息载体而组成的无线网络 作为一个正在发展 的新兴技术 水声通信网络发展之所以远远滞后于空中无线网络 很大程度上是受限 于水声通信技术的发展 水声通信网络要解决两个基本技术问题 第一是水声通信 第二是在水声通信的基础上实现通信组网 水声通信解决的是点到点的两个用户 或信 息源 之间在水下环境下的通信问题 而通信组网解决的是多个用户 或信息源 共享水 介质信道时的信息交互问题l l 3 1 1 2 水下无线传感器网络u w s n 近年来 基于短距离无线通信的陆地无线传感器网络的发展非常迅速 水下无线传 感器网络是陆地传感器网络概念向水下应用的延伸 作为水声通信的一个重要应用 水下无线传感器网络对于水下环境的目标跟踪 海洋水文环境要素监测等具有重要价 值 因此开展水下无线传感器网络的相关研究具有重要的应用价值 水下无线传感器网络由多个传感器节点组成 节点可以是固定的 如水下锚定的浮 标或潜标 也可以移动的 如水下机器人 目前 水下传感器网可以根据水下传感器 类型的不同 获取不同的信息 即可应用于海洋数据获取 海洋污染监控 也可用于 近岸开发 灾难预防 水下导航定位的辅助 海洋资源勘测和科研数据获取 分布式 战术监测 水雷侦察 以及水下目标的探测 跟踪与定位 简言之 水下传感器网就 是在一定的水下区域内 通过各种传感器节点获取水下信息 并对水下节点进行声学 通信和组网 最终通过特定的节点重新以无线电和 或有线的形式把在覆盖区域中所获 取的信息纳入岸上的常规网络 并发送给观察者 由于采用水声通信 水下无线传感器网络必须考虑适应海洋环境特性的物理层信号 传输所面临的挑战 除了面临更为恶劣的水声通信环境之外 与普通无线传感器网络 类似 水下无线传感器网络还具有以下特征 1 4 h j 1 节点易失效 拓扑结构频繁变化 在水下无线传感器网络中 通常情况下节点被放置在没有基础结构的地方 传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 节点的位置不能预先设定 如通过飞机或轮船播散大量传感器节点到面积广阔的海洋 当中 加之节点通常是可移动的 这样就要求传感器节点具有自组织能力 能够自动 进行配置和管理 通过拓扑控制机制与网络协议自动形成转发监测数据的多跳水下无 线传感器网络系统 在水下无线传感器网络使用过程中 部分节点由于能量耗尽或环 境因素造成失效 也有 部分节点为了弥补失效节点 增加监测精度而补充到网络中 这样在水下无线传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少 从而使网络的拓扑结 构随之动态的变化 因此 水下无线传感器网络必须具有高强壮性和容错性 相应的 通信协议必须具有可重构和自适应性 2 计算和存储能力有限 与其他无线传感器节点类似 水下传感器节点所携带的处理器能力比较弱 存储器 容量比较小 因此在水下无线传感器网络设计中同样需要面临如何利用有限的计算和 存储资源完成监测数据的采集与转换 数据的管理和处理 应答汇聚节点的任务请求 和节点控制等诸多协同任务的挑战 3 电源能量是网络寿命的关键 与其他无线传感器节点类似 水下无线传感器网络中节点同样使用电池供电 由于 传感器节点一旦被部署在水下 往往就是1 个月 2 个月 甚至是1 年的时间 而传感 器节点是靠电池供电的 这在很大程度上限制了水下无线传感器网络的使用寿命 必 须考虑能量有效的网络技术 减少不必要的转发和接收 也是水下无线传感器网络协 议设计必需加以考虑的问题 4 以数据为中心 作为任务型的网络 水下无线传感器网络的中心任务同样是检测环境数据 在应用 于目标跟踪的水下无线传感器网络中 跟踪目标可能出现在任何地方 对目标感兴趣 的用户只关心目标出现的位置和时间 并不关心哪个节点监测到目标 而事实上 在 目标移动的过程中 必然是由不同的节点提供目标的位置消息 水下传感器节点内部结构示意如图1 2 所示 中央处理器 c p u c e n t r a lp r o c e s s i n g u n i t 通过传感器接口电路与传感器相连 中央处理器可以处理传感器数据 并可以将 相关数据储存在内存中 传感器节点可以通过水声m o d e m 与其他节点通信 1 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 2 水下传感器节点内部结构示意图 网络结构设计 1 7 1 8 1 是组建通信网络的第一步 网络结构设计的好坏对整个网络的 性能和经济性都有重大的影响 如路由选择 信息流量控制以及其他的一些网络设计 问题都在相当程度上有赖于网络的结构设计 集中式网络中网络节点间的通信都是通过中心站进行的 这种结构较适合深海 u w a u n d e r w a t e ra c o u s t i c 网络 集中式网络结构要求每一个节点都直接与主节点连 接 因而这种结构不需要路由选择 在这种网络结构中 水面浮标可以充当中心站 控制发送到海底设备或由海底设备发出的信号之间的通信 但集中式网络结构的缺点 在于 如果中心站出现故障 整个网络就会中断 此外 由于水声m o d e m 的传输距离 有限 所以集中式网络难以满足大面积覆盖的要求 只能用于小范围的水声网络 与集中式网络结构相对应的是分布式网络结构 在分布式网络上 节点之间互相连 接 数据可以选择多条路径传输 由于分布式网络中没有中心节点 因而不会因为中 心节点遭到破坏而造成整个网络的崩溃 由于传感器节点的通信范围有限 在实际应 用中传感器网络每一个节点仅把信息发送给最近的邻节点 经过多次中继 最后到达 主节点 如水面浮标 水面舰艇等 再由主节点与岸基系统通信 这种网络结构可以覆 盖相当大的区域 单个节点功耗小 对浅海广阔分布的传感器系统非常适用 如图1 3 所示 水下无线传感器网络的协议栈与无线传感器网路协议类似 可以分 为物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层五层 此外 协议栈还包括能量管 理平台 移动管理平台以及任务管理平台 1 9 j 1i i i i 一 一 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图i 3 水下无线传感器网络协议栈 物理层负责数据的调制解调 它把逻辑信息 比特o 和1 转换成在信道中传输的信 号 数据链路层负责数据成帧 帧检测 媒体访问和差错控制 2 0 h 2 3 j 数据链路层通常 被划分为两个子层 即媒体访问控制协议 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 与逻辑链路控 制协议 l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 由于恶劣的水下通信环境 使网络中的信号在传输 过程很容易发生错误 l l c 协议保证源节点发出的信息可以完整 无误地到达目标节 点 m a c 协议要在节点之间建立链路 保证所有的节点可以公平有效地的利用带宽 m a c 协议是水下无线传感器网络一个非常活跃的研究领域 本文的主要内容就是对水 下无线传感器网络的媒体访问控制协议 m a c 协议 展开相关仿真研究 网络层协议负 责路由发现与维护 水下无线传感器网络的路由协议可以划分为平面路由协议和分级 路由协议 在平面路由协议中 所有节点的地位是平等的 原则上不存在瓶颈问题 其缺点是可扩展性差 维护动态变化的路由需要大量的控制信息 在分级结构的网络 中 群成员的功能较为简单 不需要维护复杂的路由信息 这大大减少了网络中路由 控制信息的数量 具有很好的可扩展性 其缺点是头节点可能会成为网络的瓶颈 传 输层负责数据流的传输控制 负责将水声网络的数据提供给外部网络 是保障通信质 量的重要部分 在目前国外己经开发的水下无线传感器网络中 都采用一个特殊的节 点作为网关 它的硬件配置和电源供给不同于普通节点 网关采集网络内的传感器数 据 使用卫星 蜂窝通信网络 i n t e r n e t 或者其他的链路与外部网络通信 应用层直接 面向用户的各种需求 它包括了一系列基于监测任务的应用层软件 作为多领域多学科交叉的研究热点 水下无线传感器网络越来越受到人们的关注 这其中涉及有非常多的关键技术有待深入研究 目前水下无线传感器网络的研究重点 包括网络拓扑结构 网络协议和m a c 协议设计 定位技术 数据融合 数据管理等 网络拓扑结构 由于水下设备成本比较高 加之水声信道的容量有限 为了避免单个或多个设备失 效而导致整个监测任务失败 要求部署的水下无线传感器网络保持较高的可靠性 避 免产生通信瓶颈 水下无线传感器网络拓扑控制目前的主要研究问题是在满足网络覆 盖度和连通度的前提下 通过控制和骨干网节点选择 剔除节点之间不必要的水声链 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 路 生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构 网络协议设计 由于网络拓扑结构的动态变化 海洋环境的变化以及能量限制会使网络系统的错误 率很高 要求网络协议具有很强的容错能力 保持系统稳定 水下无线传感器网络协 议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络 目前研究的重点是水下无线 传感器网络m a c 层协议和网络层协议设计 定位技术 位置信息是水下无线传感器网络节点采集数据中不可缺少的部分 没有位置信息的 监测消息通常毫无意义 确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是水下无线传感 器网络最基本的功能之一 为了提供有效的位置信息 随机部署的传感器节点必须能 够在布置后确定自身位置 由于传感器节点存在资源有限 随机部署 通信易受环境 干扰甚至节点失效等特点 定位机制必须满足自组织性 能量高效 分布式计算等要 求 数据融合 水下无线传感器网络存在能量约束 减少传输的数据量能够非常有效地节省能量 因此在从各个传感器节点收集数据的过程中 可利用节点的本地计算和存储能力处理 数据的融合 去除冗余信息 从而达到节省能量的目的 数据融合技术 2 4 可以与网络 的多个协议层进行结合 数据管理 从数据存储的角度看 水下无线传感器网络可被视为一种分布式数据库 以数据库 的方法对水下无线传感器网络中进行数据管理 可以将存储在网络中的数据的逻辑视 图与网络中的实现进行分离 虽然对网络所存储的数据进行抽象会在一定程度上影响 执行的效率 但可以显著增强网络的易用性 水下无线传感器网络的数据管理和传统 的分布式数据有很大的差别 由于传感器节点能量受限且容易失效 数据管理系统必 须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务 1 3u w s n 网络m a c 协议国内外研究现状 水下无线传感器网络协议栈分为物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层 其中数据链路层的媒体访问控制m a c 协议主要解决的是多个用户怎样合理有效地利 用水声信道的问题 一般而言 媒体访问控制方式可细分为多址访问和随机访问 常 见的多址访问技术包括频分复用 时分复用 还有对水声信道有较好鲁棒性的直接序 列扩频码分复用技术 d s s s d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 和跳频扩频技术 f h s s f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m 而常见的随机访问技术包括a l o h a 载波侦听 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 m mi l lm m 曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼量皇 复用 c s m h c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s m a c a w m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c ef o rw i r e l e s sl a b o 等 水下传感器网的传播介质是水 其传播特性与陆地传感器网的介质有很大的不同 因此造成在陆地上可以有效使用的m a c 层协议往往不能直接应用于水下声学网络 随 着人们对海洋探索需求的日益增加 各国学者对水下无线传感器网络的研究也越来越 多 但水声通信存在着多种不可避免的物理约束 这也为设计水下无线传