水下无线传感器网络的可靠性传输研究

作     者：于美铭 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘军

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 082403[工学-水声工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水下无线传感器网络 可靠性传输 BCH编码 水下路由协议 

摘      要：地球表面约71%被海洋覆盖,随着陆地资源的不断开采,人们对海洋资源的需求逐步增大。海洋观测是一切海洋活动的开始,作为一种有效的海洋观测手段,水下无线传感器网络(UWSN)已被应用于防灾预警、科学研究、污染监测、海底环境勘探、军事监视和定位导航等诸多领域。不同于以电磁波为通信方式的陆上无线传感器网络(WSN),以声波为主要通信媒介的UWSN具有高能耗、长延迟、低带宽及高误码率等通信特性,这使得UWSN中传输的可靠性面临着巨大挑战。同时节点移动性导致的拓扑变动进一步加剧了这一挑战:1.在链路层上,节点移动性导致的链路状态变化,使得静态配置或依据经验设计的全局统一的FEC编码方法无法高能效的保障数据传输的可靠性。同时,基于重传的可靠性保障机制中,重传数据包和控制包占用了宝贵的水声信道,加剧了网络中的冲突和拥塞现象。2.在网络层上,关键节点频繁参与路由,使得能量消耗不均衡,进而降低了整个网络的生存周期。同时,节点移动性导致的拓扑变动引发了路由空洞的产生,该现象加剧了网络中的丢包现象,降低了数据包的送达率。针对上述挑战,本文提出了基于BCH动态编码的链路层可靠通信算法。该算法通过对信道状态的感知/估计,计算出当前数据发送的误码率期望,进而设计出能够容忍该误码率的BCH编码集合。该算法使用动态规划的手段,选取冗余位总数最小的BCH编码组合,对当前数据包进行编码,进而提升端到端传输的可靠性。基于上述算法,本文对水下认知无线电(UCAN)动态BCH编码问题进行了研究。提出了E-DPSO算法,通过感知信道状态并对能耗建模,进而动态配置发送端的发送频率、功率及BCH编码的组合,在保证数据正常解码的前提下,减少发送每个数据包的能量消耗。在网络层上,本文提出了一种基于能量瓶颈和深度信息的路由协议EBDRP。能量瓶颈为经过该节点所有正向路径中节点能量限制的最佳值。对于能量瓶颈的考虑使得节点进行路由决策时可以考虑多跳范围内的能量限制,以更有远见的选择能量较多的节点路径(而不是直接选择能量多的节点)作为下一跳。这极大的避免了由于能量不均衡导致的关键节点过早死亡,进而提高网络的生存周期和传输的可靠性。本文依次对提出的算法进行了验证。通过将BCH动态编码算法的有效数据比例与固定BCH编码进行对比,验证了本文算法的高传输效率。应用水下认知无线电网络中E-DPSO算法,计算出最优发送功率频率组合,并验证了相比于其他功率频率组合,该最优组合单位数据位能耗最小。且该算法可以快速收敛。将EBDRP路由协议与DBR和VBF路由协议的能量消耗、送达率和延迟等参数进行对比,验证了本文协议的高效性。此外,本文一并探讨了能量瓶颈与深度信息的权衡取值对该路由协议性能的影响。