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海洋监测传感器网络关键技术研究

罗汉江  
【摘要】: 海洋监测传感器网络是无线传感器网络在海洋中的延伸,它针对海洋监测具体应用,部署在极其复杂可变的海洋环境中,实现对海洋的实时监测。海洋监测传感器网络一般包括部署在海面上的网络部分和部署在水下的网络部分。广义上的海洋监测传感器网络甚至包括陆基海洋近岸网络、空基卫星网络等,从而形成更广意义上的海洋立体监测传感器网络。本文主要涉及一般意义上的海洋监测传感器网络,即水面无线传感器网络和水下无线传感器网络。 水面无线传感器网络使用无线电波进行通信和组网,可用来监测风向、波高、潮汐、水温、光照、水质污染等与海洋相关的信息,另外还负责与水下传感器网络的信息传输等。水下无线传感器网络目前主要利用水声实现通信和组网,与陆地无线传感器网络相比具有以下特点:通信信道具有高时延、时延动态变化、高衰减、高误码率、多径效应、多普勒频散严重、信道高度动态变化以及低带宽等特点,被认为是迄今难度最大的无线通信信道;网络具有移动性特点;水下节点使用电池供电,更换电池更为困难;节点发送信息耗能比接收信息耗能往往大几十倍甚至上百倍;由于水下节点价格昂贵,水下网络具有稀疏性部署特点等等。必须针对水下网络的这些特点,研究适合水下网络的新协议。 本文针对海洋监测传感器网络的特点,主要对以下海洋监测传感器网络关键技术作了研究: 1.针对稀疏部署的海洋监测传感器网络,特别是系泊海洋监测传感器网络,对能量平衡问题作了研究。海洋监测传感器网络节点一般使用电池供电,电池不易更换,能量的均衡消耗直接影响着网络的生存期。而系泊海洋监测传感器网络所具有的稀疏性特点,使得节点能量均衡消耗更加重要。针对这些特点并根据水下能量消耗模型,提出两种延长网络生存期的算法EBH和DIB。EBH是一种基于能量分级的能量平衡混合数据传输算法,它根据节点剩余能量的等级变化自动调节节点发送数据的模式,从而在网络运行期间达到节点能量均衡消耗。DIB是一种基于分簇的异构网络能量平衡数据传输算法,它通过配置节点不同的初始能量达到能量均衡消耗。 2.海洋监测传感器网络定位技术是获取海洋实时监测信息的关键技术之一。不论是环境监测、灾难避免、水下安全闯入监测、节能路由控制等,都离不开节点的位置信息。水下节点发送耗能是接收耗能的几十倍甚至上百倍,另外水下网络具有稀疏部署的特点。利用这些特点,本文提出两种利用AUV辅助定位的节点被动定位算法,从而把定位能耗最大限度地转移到能量易于补充的AUV上,节点仅仅接收定位信标就可以计算出自己的位置。这两种算法分别适用于水下二维和水下三维环境。在两种算法中提出利用具有方向角的水听器发送方向性信标实现水下定位,从而简化了定位算法,降低了节点定位能耗。此外,这两种定位算法都不依赖于节点的部署密度,因而比较适合海洋监测传感器网络具有稀疏部署的特点。 3.海洋监测传感器网络闯入监测是安全防御的一个重要组成部分,它主要应用在港口保护、海上边界保护、海上设施,如海上石油平台、渔业设施的保护等等。本文主要针对海面船只闯入监测作了研究,提出应用于海洋环境的闯入监测算法。将带有三轴加速度传感器的imote2节点安装在浮标上,然后把浮标部署在海上试验基地并作了试验。通过数据分析处理,发现船行波和海浪具有不同的频谱特性。利用这些特性设计了具有三个监测层次的闯入监测算法。根据船行波对海浪扰动的具体特点,在算法中提出临时簇和固定簇相结合的办法,从而可以较好地利用闯入监测的时空关联性特性。另外,结合手动部署,闯入算法还可以估计闯入船只的速度。 海洋监测传感器网络能够为海洋环境保护、资源保护与管理、灾害监测、海洋工程、海上生产作业和海洋军事等活动提供更好的技术设备和信息平台。我国是一个海洋大国,海洋监测传感器网络在我国有着广阔的应用前景。随着海洋监测传感器网络技术研究的继续深入,它一定能为我国经济的持续发展起到很好的支撑和促进作用。


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