水下传感器网络路由算法的研究与设计

论文摘要

水下传感器网络是一门新兴的网络技术,它是全球网络化技术普及的产物。国内外对水下传感器网络的重视程度不断升温,并对其进行了深入的研究。水下传感器网络通常是由水下传感器节点、自主式水下运载器和作为主节点的海面站组成的水下无线通信网络。目前水下传感器网络主要用于对其覆盖区域进行中长期的海洋环境信息监测、污染监控、灾难预防、水下辅助导航定位、海洋资源勘测、水雷侦查以及水下目标的探测、跟踪定位等,具有广阔的应用前景。由于水下环境的特殊性,如长传输时延、强多径干扰、强环境噪声和信道可用带宽非常有限等原因,使得水下传感器网络的数据传输速率、数据通信的可靠性、通信距离、网络吞吐量和能量消耗受到严重的影响。这就要求在研究水下传感器网络的路由协议时,对如何降低节点的能量消耗,如何保证传输数据快速、正确、有效,如何延长网络生命周期等问题考虑充分。本文对水下传感器网络路由算法进行了研究与设计。以提高网络的能量利用率,延长网络的生命周期为出发点,提出了一种分时路由算法。设计了一种概率均衡机制,并把该机制应用于分时路由算法,提出了分时均衡路由算法。为了进一步降低节点能耗,延长网络生命周期,在分时均衡算法中引入了网络编码理论,提出了基于网络编码的分时均衡路由算法。本文主要研究内容和成果主要有以下几方面：1.本文对洪泛算法进行了一系列的改进,提出了一种分时路由算法。只有当自己的时间片到来时,节点才可以发送或者转发缓存中的数据包,以避免产生冲突；并且在路由建立过程中节点不必对其父节点进行单独确认,直接广播路由数据包,该广播数据包同时可以作为对其父节点ACK捎带确认,从而可以有效地节省时间和能量,加快路由的建立过程。2.在分时路由算法中加入了一种概率均衡机制,提出了分时均衡路由算法。该算法在路由树建立过程中,通过不断比较各个邻居节点的子节点的数目,并按照本文所设计的概率均衡机制以一定的概率动态调整各子树中的子节点数,以使路由树在概率上达到均衡,使各节点的能量消耗更均衡,从而有效地延长网络的生命周期。3.把网络编码理论引入到分时均衡算法,提出了基于网络编码的分时均衡路由算法。在该算法中,网络中间节点对收到的数据包信息进行编码操作后,再把编码数据包转发出去,多个数据包编码成一个编码包,降低了传输中的数据量,这样可以进一步降低节点能耗,提高网络带宽利用率,有效地延长网络的生命周期。最后,对本文提出的基于网络编码的分时均衡路由算法进行了验证。通过测试实验,验证了本文所设计的算法的有效性。结果表明,基于网络编码的分时均衡路由算法能够降低节点间冲突发生的概率,加快路由的建立过程,均衡各节点的能耗,有效地延长网络的生命周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与课题来源
• 1.2 国内外现状
• 1.3 水下传感器网络概述
• 1.3.1 节点功能结构
• 1.3.2 网络拓扑结构
• 1.3.3 网络协议栈
• 1.4 路由协议概述
• 1.4.1 路由协议设计目标
• 1.4.2 路由协议分类
• 1.4.3 典型的路由协议介绍
• 1.5 本文主要贡献
• 1.6 本文组织结构
• 2 分时路由算法设计
• 2.1 网络模型
• 2.2 路由建立算法
• 2.2.1 算法基本思路
• 2.2.2 算法设计
• 2.2.3 算法实现
• 2.3 路由管理
• 2.4 路由维护
• 2.4.1 节点死亡处理策略
• 2.4.2 丢包处理策略
• 2.5 仿真
• 2.5.1 仿真参数
• 2.5.2 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 3 均衡路由算法设计
• 3.1 均衡的相关概念
• 3.2 算法基本思想
• 3.3 变更概率的推导
• 3.4 仿真
• 3.5 本章小结
• 4 基于网络编码的路由算法设计
• 4.1 网络编码理论
• 4.2 基于网络编码的路由算法
• 4.2.1 算法基本思想
• 4.2.2 算法设计
• 4.2.3 仿真
• 4.3 本章小结
• 5 算法验证
• 5.1 相关工作
• 5.1.1 MAC层协议
• 5.1.2 能耗模型
• 5.2 水下环境模拟
• 5.2.1 水下模拟参数
• 5.2.2 水下环境模拟
• 5.3 实验测试
• 5.3.1 实验测试环境
• 5.3.2 测试方案
• 5.3.3 测试步骤
• 5.3.4 测试结果
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 参加的研究项目