水下通信网络及其自定位的系统设计与实现

发布时间：2017-06-23 07:13

  本文关键词：水下通信网络及其自定位的系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：水下无线通信网络 定位与测距 水声网络节点设计 水声网络实验
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 海洋声学特性10-12
• 1.2.1 传播损失10-11
• 1.2.2 海洋环境噪声特性11
• 1.2.3 声呐方程11-12
• 1.3 水声信道特点概述12-14
• 1.4 水声网络结构及其特点概述14-16
• 1.5 水声网络的国内外研究现状16-18
• 1.6 论文主要内容18-21
• 第2章 水声网络节点的设计与实现21-41
• 2.1 网络节点硬件系统设计21-31
• 2.1.1 系统硬件框架设计21-22
• 2.1.2 数字处理部分设计22-27
• 2.1.3 其他硬件部分情况27-28
• 2.1.4 系统电源方案设计28-29
• 2.1.5 系统总体设计示意图29-31
• 2.2 通信系统软件系统设计31-38
• 2.2.1 通信帧结构设计及其基本通信方式31-33
• 2.2.2 通信系统软件总体设计33-34
• 2.2.3 信号发射模块软件设计34-35
• 2.2.4 信号接收模块软件设计35-36
• 2.2.5 通信系统实验室实验36-38
• 2.3 系统整机效果图38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第3章 水声网络的自定位与距离测量技术41-65
• 3.1 典型节点自定位方法及其性能评价41-48
• 3.1.1 距离无关的定位方法41-43
• 3.1.2 基于距离的定位方法43-46
• 3.1.3 定位算法的性能评价指标及相关算法对比46-48
• 3.2 四种典型的测距方法性能分析与比较48-50
• 3.3 基于最佳频率的自适应变频测距方法50-61
• 3.3.1 基于最佳频率的自适应变频测距方法51-57
• 3.3.2 基于最佳频率的自适应变频方法性能仿真57-61
• 3.4 一种高效的节点间测距方法61-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第4章 一种自组织水声网络节点自定位方法65-75
• 4.1 一种自组织水下网络节点自定位方法65-68
• 4.1.1 相互测距过程65-66
• 4.1.2 数据交互定位过程66-68
• 4.2 一种自组织水下网络节点定位方法的算法仿真68-70
• 4.3 网络通信格式化报文设计70-71
• 4.4 基于有限状态机的软件编程及实现71-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第5章 自组织水声网络水池实验75-87
• 5.1 系统实验内容、步骤与结果75-85
• 5.1.1 网络节点系统通信实验75-76
• 5.1.2 网络节点两点测距试验76
• 5.1.3 网络节点系统测距试验76-79
• 5.1.4 TDMA网络协议水池实验79-80
• 5.1.5 ALOHA网络协议水池实验80-82
• 5.1.6 自组织水声网络系统自定位实验82-85
• 5.2 实验误差分析85
• 5.3 本章小结85-87
• 第6章 全文总结及工作展望87-89
• 6.1 全文工作总结87-88
• 6.2 后期工作展望88-89
• 参考文献89-95
• 附录95-107
• 发表论文和参加科研情况说明107-108
• 致谢108-109

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本文编号：474270