【摘要】：近年來(lái),隨著軍事和民用方面對(duì)海洋資源開發(fā)活動(dòng)的增加,水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究?jī)r(jià)值日益凸現(xiàn)。由于采用聲波作為通信載體,水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著延時(shí)高、帶寬低、誤碼率高、信號(hào)衰減大等問(wèn)題,這些問(wèn)題給水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。如何針對(duì)這些挑戰(zhàn)去構(gòu)建高效穩(wěn)定的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò),對(duì)于海洋資源的合理開發(fā)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。論文首先闡述了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究背景以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。目前的研究成果中,水聲傳感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)往往成本昂貴、體積龐大,并且功耗極高,傳統(tǒng)的水下MAC(媒體接入控制)協(xié)議無(wú)法保障水聲傳感網(wǎng)擁有較高的吞吐量與能耗性能。針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文旨在設(shè)計(jì)一種基于微型傳感器節(jié)點(diǎn)以及競(jìng)爭(zhēng)型MAC改進(jìn)協(xié)議構(gòu)建的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)。研究?jī)?nèi)容主要包括以下兩部分:(1)微型水聲傳感器節(jié)點(diǎn)的研制。該部分的研究目標(biāo)為設(shè)計(jì)一套低功耗、體積小以及集收發(fā)功能于一體的水聲傳感器裝置,主要包括硬件電路與嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。硬件模塊主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、基于MSP430F5335處理器的微控制器核心電路、工作模式切換電路、信號(hào)發(fā)送電路以及信號(hào)接收電路。信號(hào)發(fā)送電路包括驅(qū)動(dòng)放大電路、阻抗匹配電路,用于驅(qū)動(dòng)T235水聲換能器正常工作,從而保證數(shù)據(jù)能穩(wěn)定地通過(guò)水下信道進(jìn)行傳輸。信號(hào)接收電路包括增益放大電路、帶通濾波電路,用于將換能器接收到的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大濾波,最后將該信號(hào)傳輸至微控制器進(jìn)行采集。嵌入式系統(tǒng)軟件按照TCP/IP分層模型劃分成了三部分:物理層、應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)鏈路層。其中物理層部分負(fù)責(zé)微控制器硬件資源的初始化,應(yīng)用層部分負(fù)責(zé)編寫實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信功能的相關(guān)應(yīng)用程序,數(shù)據(jù)鏈路層部分負(fù)責(zé)制定MAC協(xié)議的移植。(2)競(jìng)爭(zhēng)型MAC改進(jìn)協(xié)議的仿真分析與移植。首先研究了基于競(jìng)爭(zhēng)窗口(Contention Window,CW)的CW-MAC協(xié)議的工作原理,并針對(duì)其無(wú)法完全保障信道利用公平性的缺陷,提出了兩種基于異構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)化策略的HCW-MAC改進(jìn)協(xié)議。緊接著在NS-3(Network Simulator Version 3)仿真平臺(tái)上對(duì)CW-MAC以及HCW-MAC協(xié)議進(jìn)行仿真比對(duì),仿真結(jié)果驗(yàn)證了HCW-MAC協(xié)議的吞吐量與能耗性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的CW-MAC協(xié)議,并且HCW-MAC II協(xié)議的性能效果最佳。最后完成HCW-MAC II協(xié)議在硬件平臺(tái)上的移植,實(shí)現(xiàn)多個(gè)水聲傳感器節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)通信。論文最后對(duì)整體傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)通信測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)的通信傳輸成功率高于90%,通信功耗低于20W,達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。
【圖文】：

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文說(shuō)也是至關(guān)重要的[7]。內(nèi)外研究現(xiàn)狀聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀20 世紀(jì) 40 年代初，為了應(yīng)對(duì)可能來(lái)臨的前蘇聯(lián)潛艇侵略，美國(guó)軍方就開始在地置岸基聲吶站，并建立起了一套代號(hào)為 SOSUS 的海底聲吶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)期的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，之后美國(guó)在此基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了大量的改進(jìn)并效果。4 年，WHOI（伍茲霍爾海洋研究所）在加利福尼亞海灣部署了 ALAN（水聲局域用該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)海底地震相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集從而達(dá)到預(yù)測(cè)地震災(zāi)害的目的。究所在 Monterey 海灣部署了代號(hào)為“PLUSNET”的近海水下傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系研制目的主要是為了更好地探測(cè)和跟蹤外來(lái)侵入的海洋軍事設(shè)備�！癙LUSNET圖如圖 1.1 所示：

圖 1.2 “海網(wǎng)（SEAWEB）” 系統(tǒng)分布示意圖聲傳感器節(jié)點(diǎn)的研制方面，最為出名的有 LinkQuest 公司的 UWM 系推出 ATM-88X、ATM-9XX 系列水聲傳感器[11]，它們已經(jīng)可以很好地應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，并且產(chǎn)品的體積大小、工作距離等參數(shù)可根據(jù)用ATM 系列水聲傳感器應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)的工作模擬示意如圖 1.3 所示，，傳感器的性能指標(biāo)如表 1.1 所示：
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.3

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本文編號(hào)：2690336