【摘 要】
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随着水声通信技术的不断发展和水声通信设备、水下移动平台的日益成熟,移动水声传感器网络在水下信息感知与传输中承担了越来越重要的角色。凭借着水下移动平台的机动性,移动水声传感器网络能够实现对海洋环境的大范围实时观测,为重点海区的长期水下监测和安全时效预警提供保障。移动水声传感器网络不仅要考虑水声通信有限带宽、长时延和低速率等特性,同时还需要承担移动节点带来的网络结构和通信链路质量的动态变化。因此,需要
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随着水声通信技术的不断发展和水声通信设备、水下移动平台的日益成熟,移动水声传感器网络在水下信息感知与传输中承担了越来越重要的角色。凭借着水下移动平台的机动性,移动水声传感器网络能够实现对海洋环境的大范围实时观测,为重点海区的长期水下监测和安全时效预警提供保障。移动水声传感器网络不仅要考虑水声通信有限带宽、长时延和低速率等特性,同时还需要承担移动节点带来的网络结构和通信链路质量的动态变化。因此,需要设计与海洋环境、节点动态适配的移动水声传感器网络协议。论文针对静态和动态组网场景下的不同需求,研究和设计了相对应的媒体接入控制（Media Acess Control,MAC）和静态/动态路由方案。这些方案具备较高的传输效率并保证了网络的灵活性和鲁棒性。首先,考虑到现有水声网络仿真平台信道建模比较简单,和真实海洋环境差距较大,论文结合声信道传播模型实现了平台移动场景下的多径水声信道建模。以正交频分复用调制解调方式为例,建立了不同声速剖面下随传播距离与节点深度变化的误比特率模型。信道建模通过模拟真实的海洋信道,为后续协议仿真和优化提供合理的通信性能指标。其次,针对节点位置变化不大,网络层次相对稳定的静态组网场景,论文提出了基于拓扑控制的冲突避免MAC协议（Collision Avoidance Topology Controlled MAC,MACA＿TC）,实现在固定路由下对网络资源的合理分配。MACA＿TC通过使用请求发送/允许发送（Request To Send/Clear To Send,RTS/CTS）包的握手机制实现冲突避免,通过基于节点距离的数据包功率控制优化暴露终端的并行传输问题。同时通过被动侦听邻居节点的分布情况定时调整RTS/CTS控制包功率,优化冲突避免的控制范围。接着,针对节点数量和网络结构不定变化的动态组网场景,在广播MAC和机会路由协议的基础上,提出了基于信道建模和拓扑控制的优化策略。针对海洋信道的声传播特点,利用信道特征优化路由转发过程以减少转发次数。根据网络结构调整传输功率以减小发射功率,并同时优化路由选择。理论分析和仿真表明,对于传输可靠性和负载要求高的网络场景,可采用基于点对点链路质量和位置矢量结合的节点度拓扑控制多跳路由（Hop-by-Hop Channel-Quality-and-Vector Based Forwarding with Degree based Topology Control,HH＿CQVBF＿DETC）;对于要求低传输时延和低能耗的网络场景,可采用基于点对点链路质量和位置矢量结合的节点距离拓扑控制多跳路由（Hop-by-Hop Channel-Quality-and-Vector Based Forwarding with Distance based Topology Control,HH＿CQVBF＿DSTC）。论文通过网络仿真、理论分析以及多次海上试验对提出的信道模型和网络协议进行了性能测试和评估。仿真表明提出的协议可以在各自负载和网络规模下获得期待的性能。同时,通过试验也验证了信道模型和优化策略的合理性。最后,论文对全文工作进行了总结,并对移动水声传感器网络后续研究方向进行了展望。
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