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基于压缩感知的水声传感网络通信方法

东北大学学报（自然科学版） 2019年第11期40卷 1549-1554页

作者：刘敬浩董丽双付晓梅天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 天津大学海洋科学与技术学院天津300072

现有研究主要针对单个传感器节点发送数据的情形,传输效率不高,而多个传感器节点同时发送数据,可以提高传输效率,但存在用户数据之间的干扰.将压缩感知应用于水声传感网络中,提出一种可实现多节点同时传输数据的大容量协作通信方法,利... 详细信息

现有研究主要针对单个传感器节点发送数据的情形,传输效率不高,而多个传感器节点同时发送数据,可以提高传输效率,但存在用户数据之间的干扰.将压缩感知应用于水声传感网络中,提出一种可实现多节点同时传输数据的大容量协作通信方法,利用传感器节点数据的稀疏特性,将多个源节点数据同时传输等效为压缩感知中的测量过程,证明了多节点并发传输过程的传输特性可以满足压缩感知中的测量矩阵的约束等距性要求.目的节点通过重构算法,可以恢复多个并发传感器节点的数据.

关键词：水声传感网络水声通信压缩感知重构算法大容量

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水声传感网络媒体接入控制协议研究

水声传感网络媒体接入控制协议研究

作者：林阿俊浙江大学

学位级别：硕士

水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UWASN)在海洋环境监测、资源开发等领域具有巨大的应用前景,因而引起各界的广泛关注。由于水声信道的传播速率低,误比特率高,可用带宽有限等特点,UWASN具有信道传播时延长、数据包出... 详细信息

水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UWASN)在海洋环境监测、资源开发等领域具有巨大的应用前景,因而引起各界的广泛关注。由于水声信道的传播速率低,误比特率高,可用带宽有限等特点,UWASN具有信道传播时延长、数据包出错率高、网络时延时空不确定性等特征。结合UWASN的特征,设计有效的水声传感网络组网协议,具有重要的意义。论文主要研究UWASN的媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)技术。结合UWASN的大传播时延特征,论文分析了基于握手的MAC协议存在的“效率问题”与“传输问题”,提出利用空闲资源的MAC(Waiting Resource Usage MAC,WRUMAC)协议。在WRUMAC协议中,节点收到控制包后等待一段时间再响应该控制包,保证其所有潜在的冲突节点都收到控制包,从而解决长时延UWASN中数据包异步到达带来的“传输问题”。邻居节点利用握手成功节点对的空闲等待时间进行额外数据传输,从而解决长时延UWASN中空闲资源浪费带来的“效率问题”。理论分析与仿真结果表明,WRUMAC协议能有效提高网络吞吐量,降低数据包的端到端时延与网络能量开销。综合考虑UWASN传播时延大、数据包传输出错率高与多用户传输相互干扰等问题,论文介绍了点到点水声通信中高效数据传输方案与差错控制机制,并提出了结合连续传输与差错控制的按需TDMA协议,采用按需TDMA方式协调多用户的信道资源利用,数据包的传输过程采用连续ARQ方案提高信道传输效率,采用混合ARQ(Hybrid ARQ,HARQ)技术解决数据包传输差错问题,并根据节点的业务量、差错控制机制与节点的收发状态为节点分配时隙。仿真结果表明,所提出的按需TDMA协议有更高的吞吐量,更低的数据传播时延,且能较好适应不同网络环境。

关键词：水声传感网络媒体接入控制长传播时延空闲资源利用按需TDMA

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水声传感网络的地理路由协议设计

水声传感网络的地理路由协议设计

作者：许硕燕山大学

学位级别：硕士

随着人类对能源需求的持续增长,日益枯竭的陆地资源已无法适应全球经济发展的需要,全世界都将目光投向了丰富的海洋资源。水下路由协议在实现海洋资源开发利用信息化的过程中起着重要作用。然而,水下传感器节点间的通信极易出现隐藏终... 详细信息

随着人类对能源需求的持续增长,日益枯竭的陆地资源已无法适应全球经济发展的需要,全世界都将目光投向了丰富的海洋资源。水下路由协议在实现海洋资源开发利用信息化的过程中起着重要作用。然而,水下传感器节点间的通信极易出现隐藏终端问题。隐藏终端使得节点转发多余的数据报,最终导致节点能量过早耗尽而死亡。并且,水下路由常用的机会转发机制存在延迟高、交付率低的问题。因此,如何有效的避免隐藏终端问题,并合理的改善机会转发机制性能是本文研究的主要问题。首先,本文阐述了二维静态水声传感网络、三维静态水声传感网络和具有水下机器人的三维动态水声传感网络并分析各自特点,明确了三维静态传感网络作为本文研究的结构模型。分析了水下地理路由协议能量、延迟、交付率、移动性和易形成通信空区等特性,为设计水下地理路由协议提供理论基础和优化目标。分析了水声信道的声速、噪音和期望传输次数模型,为仿真环境的设置提供数学模型。介绍了水下地理路由协议数据报交付率、端到端延迟和能量税等的性能评价指标,以此为依据来分析水下路由协议的性能。其次,针对水声传感网络中水下节点三维分布且传输速率较低,节点间通信容易产生隐藏终端的问题,构建了转发链模型,提出了基于转发链的地理路由协议,改善了在密集水声传感网络中路由协议的能量和延迟问题。在邻居信息获取阶段,提出了两跳邻居节点信息获取算法,使得每个节点都拥有两跳范围的邻居信息。在转发阶段,依据两跳节点的信息构建转发链,转发顺序严格依照转发链进行转发,从而避免隐藏终端问题。每个节点的等待时间依据转发链进行精确的计算,最高优先级节点无需等待时间,降低了因等待时间而带来的端到端延迟。最后,针对水声传感网络地理路由协议使用机会转发机制时出现延迟高和交付率低的问题,提出了多转发机制的自适应分区域地理路由协议。在邻居信息获取阶段,针对节点间的能量不均衡,节点生存时间短的问题,提出的邻居信息获取算法可以根据拓扑变化速度动态的调整邻居信息获取的周期,平衡节点间的能量,延长节点的生存时间。在转发阶段,针对机会转发机制被应用在水下时存在延迟高、交付率低的问题,路由协议采用自适应多区域协同转发机制,使提出的协议不仅继承了机会路由能量消耗低的特点,还兼具了泛洪机制端到端延迟低和数据报交付率高的特点,实现了路由协议在能量,延迟和交付率三方面性能的同时优化。

关键词：水声传感网络地理路由协议转发链自适应分区域

水声传感网络中水下移动节点的分布式定位方法研究

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水声传感网络中水下移动节点的分布式定位方法研究

作者：方国灿浙江大学

学位级别：硕士

水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UASN)被广泛应用于海洋资源探索、水下数据收集、灾难预警、水下导航和军事行动等场景中,是海洋研究信息化的热点。定位技术作为水声传感网络中的支撑技术,常用于估计水下目标的位置... 详细信息

水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UASN)被广泛应用于海洋资源探索、水下数据收集、灾难预警、水下导航和军事行动等场景中,是海洋研究信息化的热点。定位技术作为水声传感网络中的支撑技术,常用于估计水下目标的位置、跟踪水下节点、优化媒体接入控制与路由协议的性能等。在水声传感网络中设计有效合理的定位技术具有重要的意义。考虑水声传感网络的特性,本文主要研究水下定位技术中的分布式被动定位技术。考虑到水下待定位节点与信标节点之间难以保持时钟同步,且定位周期长的问题,论文首先在基于定位报文到达时间差(Time Difference of Arrival,TDoA)定位算法的基础上提出定位报文同步发送的TDoA定位算法,并给出了算法的具体实现与详细的误差分析。TDoA定位算法面临两个主要问题:第一是假设声速恒定,这会导致一定的定位误差;第二是要求所有信标节点保持时钟同步,这会导致高昂的同步代价。针对声速恒定问题,论文提出了一种结合声速梯度(sound speed profile,SSP)的多径辅助测距定位算法。该定位算法结合了 TDoA算法和多径测距算法,水下节点额外利用了海底信标节点定位报文的几何反射径来辅助测距,进而以实测的声速梯度完成定位任务,提高了定位精度。针对同步代价问题,论文提出了一种海底信标辅助定位算法。海底信标辅助定位算法仅要求海面信标节点之间的时钟同步,其中海底信标节点仅转发海面信标节点的定位报文。理论分析与仿真结果表明,上述提出的定位算法可以有效解决T D o A算法所面临的两个主要问题。基于定位报文的定位方法可以有效解决水下待定位节点的定位问题,但在定位跟踪中面临实时性和低能耗无法兼容的问题。针对于此,论文提出一种基于序贯滤波的定位跟踪方法。论文首先构建了可以最大化覆盖海域的定位系统,并设计了信标节点广播定位报文的时序。考虑到时钟异步的特性,在滤波方案中将每组定位报文或者相邻两组定位报文中不同定位报文的到达时刻差作为观测值,实时处理观测值数量不同的情况;考虑有效声速随位置变化的特性,将有效声速作为状态量进行迭代更新,减小由于声速变化引起的定位误差。理论分析与仿真结果表明,本文提出的定位跟踪方法可以很好地应用到水下移动节点的定位跟踪中。针对于定位报文同步发送的TDoA定位算法和基于滤波的定位跟踪方法,本文给出湖试验证。试验首先进行了定位报文同步发送TDoA定位算法的功能验证,并验证了信标节点拓扑结构大小和水下节点所处位置对于定位性能的影响;另外试验还验证基于滤波的定位跟踪方法在定位系统中的可行性。

关键词：水声传感网络水下分布式定位跟踪到达时间差多径测距扩展卡曼滤波

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水声传感网络体系结构的设计与实现

水声传感网络体系结构的设计与实现

作者：何皓琛浙江大学

学位级别：硕士

水声传感网络(Underwater Wireless Acoustic Sensor Network,UWASN)是用于监视水下环境和探索水下资源的关键技术,在海洋环境采样、海洋数据收集、地理环境监测、紧急避灾、辅助导航以及海底监视等水下应用中发挥了巨大作用。由于UWAS... 详细信息

水声传感网络(Underwater Wireless Acoustic Sensor Network,UWASN)是用于监视水下环境和探索水下资源的关键技术,在海洋环境采样、海洋数据收集、地理环境监测、紧急避灾、辅助导航以及海底监视等水下应用中发挥了巨大作用。由于UWASN的传输环境恶劣、传播延迟长和误码率较高等特性,传统无线传感网络的网络体系结构不再适用。同时,UWASN尚未有成熟的网络体系结构。因此,研究UWASN的网络体系结构具有重要的理论意义与应用价值。论文从海洋环境自适应、网络自愈性、能量感知、有效信息交互等角度入手,结合UWASN的特性与水下传输任务的需求,借鉴传统无线传感网络体系结构模型与延迟容忍网络设计思路,提出了一种新型UWASN体系结构模型。数据转发面通过统一的“管控中心”沟通各协议层之间的信息交互,使之能够实现协议栈的灵活组合并提供良好的跨层设计平台,增加网络中的跨层效益。同时,体系结构中增加了一个面向消息的覆盖层——“投递层”,用于解决网络区域间或网络节点间的异构性、水下数据传输长时延与链路中断等问题。为了验证新型UWASN体系结构中协议的组织形式、协议层连接灵活性、协议栈自适应和跨层设计的思路,论文设计并实现了体系结构中的“管控中心”,命名为Lincros协议栈平台。为了实现协议栈运行时对协议层的灵活配置和满足不同协议实例运行期间的稳定性需求,Lincros平台将不同的协议实例组织成相互合作的进程组,协议进程之间的通信和调度由Lincros核心负责,从而提高了系统的稳定性、系统运行的实时性和协议运行的并发性。为了解决UWASN长时延、链路中断等问题,论文设计并实现了新型UWASN体系结构的“投递层”,其中投递层被当作应用层代理,工作在某些骨干网络的“投递层网关”节点之上,形成“存储-携带-转发”的覆盖层网络。同时,投递层使用持久存储对抗网络中断。论文给出了投递层的网络区域与节点命名寻址、投递层数据传输、链路感知与路径选择、基于包级编码的混合AQR逐段可靠控制、资源分配与网络诊断和功能适配器六个方面的详细设计。另外,论文给出了投递层实现的整体框架和一些重要功能模块的具体实现,主要包括数据收发流程、邻居发现流程和可靠性控制流程等。论文对所提出的新型UWASN体系结构进行了仿真分析和半实物验证,并与传统五层UWASN体系结构进行比较。实验结果与仿真结果基本一致,验证了论文提出的新型UWASN体系结构具有较低的端到端传输时延、较高的网络有效吞吐量和较高的传输效率,能够在具有高延迟、高误码率和高链路中断概率的UWASN中较好地完成数据传输任务。

关键词：水声传感网络网络体系结构投递层跨层设计存储-携带-转发

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水声传感网络高效可靠传输的路由协议研究

水声传感网络高效可靠传输的路由协议研究

作者：石柳月桂林电子科技大学

学位级别：硕士

水声传感网络（Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs）作为水下物联网研究的基础技术,在海洋资源勘测、海洋环境保护、自然灾难预警、辅助导航和军事防御等领域具有极高研究价值和广阔应用前景。水下路由通信协议是保障UASNs数... 详细信息

水声传感网络（Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs）作为水下物联网研究的基础技术,在海洋资源勘测、海洋环境保护、自然灾难预警、辅助导航和军事防御等领域具有极高研究价值和广阔应用前景。水下路由通信协议是保障UASNs数据进行可靠和有效传输的关键技术,近年来一直是学术界和工业界的研究热点。然而UASNs存在网络空洞、能量受限、拓扑动态、信道质量依环境随机变化等特性,由此带来的路由空洞、低投递率、低能效和高时延等网络通信问题亟待解决。因此,本文就如何避免路由空洞、均衡网络能耗和增强数据传输可靠性作为研究重点,提出了两种路由协议:基于多度量决策论的水声网络路由协议（Multi-Metric Decision Theory Based Routing Protocol for Underwater Acoustic Sensor Network,MDTRP）、空洞避免和负载均衡的水声网络机会路由协议（Void Avoidance and Energy-balancing Opportunistic Routing for Underwater Acoustic Sensor Network,VAEOR）,研究内容和创新点如下:（1）针对UASNs存在的空洞区域和链路不稳定问题,提出了MDTRP协议。设计了基于节点可持续性和深度二维考量指标的空洞避免方案。同时,采取指数平滑法预测节点链路质量及相邻节点的依赖程度,提高了节点间链路的稳定性和相邻节点数据转发的成功率。最后,进一步提出节点的能力因子概念,采用多度量的决策论实施下一跳选择的最优算法,为UASNs的路径选择提供了高可靠的策略依据。（2）为了进一步提高和优化MDTRP协议的空洞避免能力和能量传输效率,本文提出了第二种优化算法VAEOR协议。根据节点的能耗模型联合预测节点的生命周期,提出了基于节点可持续性和生命状态二维考量指标的空洞避免方案。同时,给出了一种新的基于节点可持续度、所属区域和通信能力的节点位置状态确定方法,以提高每一跳数据传输的可靠性。最后,引入加权的思想综合考虑位置状态和生命状态因素,以构造节点转发适合度函数,联合节点适合度和前进有效距离设计数据机会转发策略,有效提高UASNs通信质量和网络能效。本文采用网络模拟器OPNET对上述两种路由协议进行仿真验证,并与DBR协议（Depth-based Routing for Underwater Sensor Networks,DBR）、GEDAR协议（Geographic and Opportunistic Routing for Underwater Sensor Networks,GEDAR）进行对比分析。通过仿真结果得出,MDTRP协议较于DBR和GEDAR在数据包投递率、时延和冗余包个数方面均得到不同程度的提升。VAEOR较其他三种协议,更加有效地解决路由空洞问题,在数据包投递率方面呈现出更高的优势,此外,在时延、网络能耗、网络生命周期和网络剩余能量标准差等方面均优于其他协议。

关键词：水声传感网络路由协议路由空洞可靠传输负载均衡

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适用于水声传感网络的多链路传输MAC协议

计算机工程 2021年第2期47卷 194-200页

作者：詹长健雷磊沈高青李志林南京航空航天大学电子信息工程学院南京210016

针对水声传感网络存在的高时延、低信道利用率等问题,提出一种新的多链路传输介质访问控制协议。该协议节点通过RTS/CTS握手协议交互时延信息和传输计划,实现多条链路传输数据。在汇聚节点接收多个节点的数据时,汇聚节点根据节点的时延... 详细信息

针对水声传感网络存在的高时延、低信道利用率等问题,提出一种新的多链路传输介质访问控制协议。该协议节点通过RTS/CTS握手协议交互时延信息和传输计划,实现多条链路传输数据。在汇聚节点接收多个节点的数据时,汇聚节点根据节点的时延和接收的数据帧大小规划节点之间的发送顺序,避免传输冲突造成的能量损失和低信道利用率,同时为得到最大网络吞吐量,给出最优退避窗口值的理论表达式。仿真结果表明,与RC-FAMA、S-FAMA等协议相比,该协议能有效提高水声传感网络的吞吐量,降低传输冲突,从而延长水下节点的工作时间。

关键词：水声传感网络介质访问控制协议多链路传输隐藏终端暴露终端

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综合链路质量认知的水声传感网络路由优化方法

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声学学报 2024年

作者：郝帅峰郑思远童峰陈东升厦门大学海洋与地球学院厦门大学导航与位置服务技术国家地方联合工程研究中心自然资源部第三海洋研究所

针对水声传感网络(UASN)在复杂多变海洋环境条件下网络路由适应性差，导致网络性能起伏严重、鲁棒性低的问题，通过不同层面、不同机制的环境认知进行链路质量评估及路由优化，提出一种综合链路质量认知路由方法。首先，定义了由莱斯因... 详细信息

针对水声传感网络(UASN)在复杂多变海洋环境条件下网络路由适应性差，导致网络性能起伏严重、鲁棒性低的问题，通过不同层面、不同机制的环境认知进行链路质量评估及路由优化，提出一种综合链路质量认知路由方法。首先，定义了由莱斯因子、信噪比、节点负载等多维度参数组成的综合链路质量特征，对变化海洋环境下的信号、信道、链路信息进行综合感知，并通过结合多址接入交互与监听实现低开销链路质量评估；在此基础上，根据理想解相似排序法设计多属性优化机制进行UASN路由的认知优化。仿真及实际海洋环境下开展的水声传感网络试验结果表明，所提方法可获得优于固定路由及常规认知路由方法的网络数据包投递率等网络指标，验证了通过认知优化改善水声传感网络对海洋环境适应性的有效性。

关键词：水声传感网络认知路由链路质量多属性优化

基于MAC协议的水声传感网络多层融合定位技术研究

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基于MAC协议的水声传感网络多层融合定位技术研究

作者：许佳慧厦门大学

学位级别：硕士

水声传感网络定位技术是海洋开发和利用的基础。水声定位算法可以分为基于测距（Range-based）的定位算法以及基于非测距（Range-free）的定位算法。与Range-based算法相比,Range-free算法只需要网络的连通度即可实现定位。因此,Range-f... 详细信息

水声传感网络定位技术是海洋开发和利用的基础。水声定位算法可以分为基于测距（Range-based）的定位算法以及基于非测距（Range-free）的定位算法。与Range-based算法相比,Range-free算法只需要网络的连通度即可实现定位。因此,Range-free算法能耗更低,更适用于水声传感网络（UWSNs）,其中,质心算法和APIT定位算法因其算法简单而得到广泛应用。为了提高Range-free算法的定位精度,通常需要较高的节点密度,而这无疑会提高碰撞率,增加能耗。针对这一问题,本文提出了一种基于MAC协议的水声传感网络多层融合定位研究方案。本文的主要工作内容和创新点如下:1、传统的APIT算法能够以较少的控制开销获得较好的定位精度,但其冗余误差较大。因此,本文提出了一种改进的APIT（IAPIT）定位算法,IAPIT限定了邻居节点的选取范围,并采用一种更为客观的点扫描法对传感节点可能存在的最大区域进行判断。最后通过仿真,分析该算法的性能。2、本文考虑利用水声MAC协议解决Range-free算法因节点密度高而产生额外碰撞的问题。针对水声传感网络能量和计算能力有限的问题,提出了一种基于Q学习的时隙ALOHA（QS-ALOHA）协议。该协议结合了 Q学习算法、时隙ALOHA以及二进制指数退避算法。仿真证明,QS-ALOHA协议不仅能够提高系统的吞吐量、降低端到端时延,还可以自适应网络拓扑变化。3、在OPNET平台实现多层融合定位模型,并分析在MAC协议下Range-free算法的性能。仿真结果表明,根据定位算法选择合适的MAC协议可以降低Range-free算法的定位误差和系统能耗。

关键词：水声传感网络非测距定位算法 MAC协议 ALOHA协议 APIT算法