水声传感器网络路由协议的研究

发布时间：2019-01-08 18:21

【摘要】：海洋区域占地球表面积的70%以上,世界上一半的人口居住在沿海区域的100km之内。海洋不但给人类提供许多自然资源,而且在运输、灾难预防、商业开发、科学探索、军事防御和战略部署等方面起到至关重要的作用。随着陆地资源的不断减少,人类开始重视海洋资源的开发和利用。然而,由于海洋的覆盖区域巨大而且水下环境极其恶劣,传统探索海洋的方法不适于深海区域的研究,因此当前人类所探索的海洋区域不足总区域的10%。为了完成水下恶劣环境下的探索任务,水声传感器网络技术受到了研究人员和产业人士的高度重视,特别是那些研究陆地传感器网络的学者和专家。由于水声传感器网络面临着部署稀疏、能量约束、高度移动性、传播速率低等诸多挑战,因此作为组网技术的水声传感器网络路由协议成为当前学术界的一个研究热点。本文讨论了水声传感器网络路由协议的可靠性问题、能量约束以及端到端时延等关键问题,设计了三个水声传感器网络路由协议提高网络的综合性能。本文的主要贡献如下:首先,为了提高节点均匀分布、单sink网络体系结构的水声传感器网络的传输可靠性同时降低端到端的时延、能量消耗,提出了基于下一跳转发区域和下一跳到sink剩余距离的路由协议。算法在计算节点转发优先级时,同时考虑了下一跳转发区域的体积和下一跳到sink剩余距离的数学期望,从而有效地提高每一跳的传输可靠性和降低端到端时延以及能量开销。另外,提出了累积传播距离和转发次数2个性能指标,用于辅助说明仿真实验结果。仿真结果验证了所提出算法的有效性。其次,为了减少重复数据包的数量和提高每一跳的能量效率,针对单sink体系结构的节点随机分布水声传感器网络,在VBF基础上提出了自适应、逐跳地调整虚拟管道半径的路由协议AHH-VBF。AHH-VBF根据邻居节点与虚拟矢量的距离确定虚拟管道的半径,减少重复数据包的数量;同时在数据转发过程中根据邻居节点与自身之间的距离确定合适的传输功率,在保证可靠性的情况下减少能量的开销。为了减少控制包所产生的开销,根据局部网络拓扑结构和节点移动特点提出了邻居节点预测机制,并根据网络拓扑变化速度设计邻居请求数据包之间的发送时间间隔。最后提出了传播偏移因子和有效邻居节点数目两个性能指标,用于辅助说明仿真实验结果。利用NS-3仿真工具对数据包交付率、能量开销和端到端时延三个性能指标与经典的路由协议进行比较,验证AHH-VBF的有效性,同时测试了网络参数对网络性能的影响。最后,针对多sink体系结构的节点随机分布水声传感器网络,设计了基于深度加权和转发区域划分的路由协议WDFAD-DBR。为了减少局部稀疏区域遇见空洞的概率,在计算数据包持有时间时不仅考虑了当前节点的深度,而且考虑了下一跳转发节点的深度。其次,为了减少局部稠密区域的重复数据包数量,根据节点密度和链路质量利用克洛三角形把转发区域划分为主转发区域和辅助转发区,在保证传输可靠性的情况下减少重复数据包的数量。而且,针对多sink体系结构特点,也提出了相应的邻居节点预测机制减少由于控制包所产生的额外开销;同时对控制包ACK在接收端的冲突概率进行了理论分析。在仿真实验中,除了与经典算法比较数据包交付率、能量开销和端到端时延性能指标和测试网络参数对网络性能的影响之外,还研究了数据包交付率与网络吞吐量之间的关系。
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【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.3

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