水下傳感網(wǎng)時鐘同步與節(jié)點定位研究.pdf

1、近年，由集傳感、計算、路由和通信能力一身的微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡作為一項新興的信息采集技術(shù)得到廣泛重視，同時，隨著人們對海洋的環(huán)境探索、經(jīng)濟開發(fā)以及軍事防御的日益關(guān)注，以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎的水下傳感器網(wǎng)絡，開始引起了學術(shù)、工業(yè)、軍事各方面的高度重視。水下傳感器網(wǎng)絡將在未來的水下信息采集系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，對它的研究具有重大的學術(shù)意義和應用前景。
　　 時鐘同步和節(jié)點定位是傳感器網(wǎng)絡中重要的支撐技術(shù)。在水下無線傳感網(wǎng)中，

2、聲通信導致的巨大傳播時延，網(wǎng)絡部署與陸地上時存在的巨大差異，這些因素使得絕大多數(shù)基于陸地無線網(wǎng)絡的成熟的時鐘同步和節(jié)點定位技術(shù)，無法直接移植于水下。論文首先詳細地分析了現(xiàn)有時鐘同步和節(jié)點定位技術(shù)的原理和現(xiàn)狀，總結(jié)出其在水下無線傳感網(wǎng)中所面臨的挑戰(zhàn)，然后分別針對時鐘同步和節(jié)點定位技術(shù)所面臨的這些挑戰(zhàn)，相應地提出了具體改進方法以及專屬算法，并通過大量的仿真實驗進行了驗證。
　　 本文主要取得如下研究成果：
　　 (1)聲傳播

3、導致了水下網(wǎng)絡存在高的傳播時延，論文對此種情況的水下傳感網(wǎng)中的時鐘同步算法進行了研究。首先，在對高延遲網(wǎng)絡時間同步協(xié)議（Time Synchronization for High Latency networks，TSHL)算法的開銷和算法誤差的全面分析基礎上，提出一種通過增大信標消息間隔來減小算法開銷，同時又能保持算法高的同步精度的改進方法。然后，進一步地提出一種輕量級的僅需要三次消息交換即可完成的高時延傳感網(wǎng)時鐘同步算法。仿真結(jié)果驗

4、證了所提的算法兼顧了高的傳播時延且控制了算法開銷，從而適用于水下無線傳感網(wǎng)等資源受限的高延遲網(wǎng)絡。
　　 (2)針對由于受水下環(huán)境制約而只能將錨節(jié)點水面部署的情況，研究了多跳的水下三維傳感器網(wǎng)絡的定位算法。論文提出將現(xiàn)有的二維定位算法進行三維擴展，然后利用水下節(jié)點易測的深度信息進行定位約束方法，補償錨節(jié)點水面分布帶來的各向異性；并在經(jīng)典的DV-Hop算法和DV-Distance算法上進行深度約束改進驗證。在此基礎上，論文提出新穎

5、的一種從水面向下逐級進行迭代求精的三維水下傳感網(wǎng)定位算法，此算法在各向異性情況中同樣有效。
　　 (3)研究了節(jié)點稀疏分布情況下的水下三維傳感器網(wǎng)絡的混合定位算法?；谑褂脝蝹€矢量水聽器進行測向的節(jié)點配置，論文借鑒蜂窩網(wǎng)中混合定位思路，引入多種測量值--到達時間/到達角度（TOA/AOA）加強節(jié)點位置估計的約束條件，提出了多跳的水下三維混合傳感網(wǎng)定位算法。通過大量仿真比較，驗證了算法可在較低網(wǎng)絡連通度條件下得到相對準確的定位結(jié)果