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水下传感网时钟同步与节点定位研究

王怿  
【摘要】:近年,由集传感、计算、路由和通信能力一身的微型传感器构成的无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术得到广泛重视,同时,随着人们对海洋的环境探索、经济开发以及军事防御的日益关注,以无线传感器网络为基础的水下传感器网络,开始引起了学术、工业、军事各方面的高度重视。水下传感器网络将在未来的水下信息采集系统中发挥重要作用,对它的研究具有重大的学术意义和应用前景。 时钟同步和节点定位是传感器网络中重要的支撑技术。在水下无线传感网中,声通信导致的巨大传播时延,网络部署与陆地上时存在的巨大差异,这些因素使得绝大多数基于陆地无线网络的成熟的时钟同步和节点定位技术,无法直接移植于水下。论文首先详细地分析了现有时钟同步和节点定位技术的原理和现状,总结出其在水下无线传感网中所面临的挑战,然后分别针对时钟同步和节点定位技术所面临的这些挑战,相应地提出了具体改进方法以及专属算法,并通过大量的仿真实验进行了验证。 本文主要取得如下研究成果: (1)声传播导致了水下网络存在高的传播时延,论文对此种情况的水下传感网中的时钟同步算法进行了研究。首先,在对高延迟网络时间同步协议(TimeSynchronization for High Latency networks,TSHL)算法的开销和算法误差的全面分析基础上,提出一种通过增大信标消息间隔来减小算法开销,同时又能保持算法高的同步精度的改进方法。然后,进一步地提出一种轻量级的仅需要三次消息交换即可完成的高时延传感网时钟同步算法。仿真结果验证了所提的算法兼顾了高的传搔时延且控制了算法开销,从而适用于水下无线传感网等资源受限的高延迟网络。 (2)针对由于受水下环境制约而只能将锚节点水面部署的情况,研究了多跳的水下三维传感器网络的定位算法。论文提出将现有的二维定位算法进行三维扩展,然后利用水下节点易测的深度信息进行定位约束方法,补偿锚节点水面分布带来的各向异性;并在经典的DV-Hop算法和DV-Distance算法上进行深度约束改进验证。在此基础上,论文提出新颖的一种从水面向下逐级进行迭代求精的三维水下传感网定位算法,此算法在各向异性情况中同样有效。 (3)研究了节点稀疏分布情况下的水下三维传感器网络的混合定位算法。基于使用单个矢量水听器进行测向的节点配置,论文借鉴蜂窝网中混合定位思路,引入多种测量值——到达时间/到达角度(TOA/AOA)加强节点位置估计的约束条件,提出了多跳的水下三维混合传感网定位算法。通过大量仿真比较,验证了算法可在较低网络连通度条件下得到相对准确的定位结果,适用于稀疏水下传感网的应用。 本文的研究工作对水下传感器网络中,时钟同步和节点定位技术面临的主要挑战进行了分析,分别提出了相应的解决方法,有一定的理论意义和实际应用前景。


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