摘 要水下传感器网络作为一门新兴的网络技术，已经逐渐成为各国学术界的研究焦点。水下传感器网络具有广阔的应用前景，能够应用于对其覆盖区域进行中长期的海洋环境监测和保护、污染监控、海洋地质灾难预防、水下辅助导航定位、水下军事防御、矿产资源勘探等方面。水下传感器网络主要利用水声进行通信，网络部署在及其复杂的水下环境中，使得水下传感器网络与陆地传感器网络有许多不同之处，包括低带宽、高延迟、高误码率以及高衰减等等，因此需要根据水下环境的特殊性，设计相适应的路由协议。通过仿真研究水下传感器网络路由协议的性能，对推动水下传感器网络的发展起着重要作用。本文在MATLAB仿真平台上对水下传感器网络路由协议中的最小跳数路由协议（MHR）和基于深度和距离感知的路由协议（DDSR）进行了仿真比较研究，主要考察网络的能量损耗、平均端到端时延、数据传输成功率三个方面的性能指标，分析得出了：MHR传输的能量损耗较大，数据传输成功率较低，而DDSR有了显著的改善，网络能量损耗很小而数据的传输成功率很高，协议的性能比较理想，但该协议存在的缺陷是平均端到端时延较大，路由协议有待于进一步的改进。无线水下传感器网络路由协议的研究具有长期性和复杂性，目前现有的路由协议还不够理想，需要不断改进、不断完善，只有更加深入地进行研究才能使水下传感器网络获得长足的发展。摘 要 Ⅰ
目 录
ABSTRACT Ⅱ
目 录 Ⅲ
第1章 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文组织结构 3
第2章 无线水下传感器网络路由协议 4
2.1 无线水下传感器网络概述 4
2.1.1 无线水下传感其网络拓扑结构 4
2.1.2 无线水下传感器节点结构 5
2.1.3 网络协议栈 6
2.2 无线水下路由协议概述 6
2.3 无线水下路由协议分类 7
2.4 路由协议设计面临的挑战 8
2.5本章小结 8
第3章 最小跳数路由协议仿真研究 9
3.1 最小跳数路由协议模型的建立 9
3.1.1 三维水下传感器网络模型 9<
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br /> 3.1.2 能量损耗模型 10
3.1.3 泊松分布模型 10
3.2 路由建立算法 11
3.2.1 算法基本思路 11
3.2.2 算法设计与编程实现 13
3.3性能分析和仿真验证 14
3.3.1仿真参数 14
3.3.2 仿真结果 15
3.4 本章小结 19
第4章 基于深度和距离感知的路由协议仿真研究 20
4.1 基于深度和距离感知路由协议模型的建立 20
4.2 路由建立算法 20
4.2.1 算法基本思路 20
4.2.2 算法设计与编程实现 23
4.3算法仿真和性能比较 24
4.3.1算法仿真 24
4.3.2 两种算法性能的比较 25
4.4 本章小结 29
第5章 总结与展望 30
参考文献 31
致 谢 33
附录：中英文文献翻译 34
第1章 绪论
1.1 研究的背景和意义
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）是由大量传感器节点通过无线通信的方式形成的多跳自组织网络体系。无线传感器网络在21世纪中对信息技术、经济和社会进步发挥着重要作用，能够量化采集数据，并且实现数据的融合和传输[1]，通过由传感器节点感知、采集物理信息，完成人类对物理世界的理解和监控，为人类与物理世界实现“无处不在”的通信和沟通搭建起一座桥梁。无线传感器网络具有成本低、能耗低、微型性、灵活性和自组织性的优点，因此引起了世界范围的广泛关注。无线传感器网络能够广泛应用于环境监测和预报、城市交通管理、复杂机械监控、仓储管理等领域[2]。广泛的应用领域和广阔的应用前景使得无线传感器网络具有巨大的应用价值，作为继互联网之后的第二大网络，将对人类进步产生深远的影响。
海洋覆盖了地球的70%，对于人类生存和发展、社会可持续发展具有举足轻重的意义，因此海洋资源的开发利用越来越受到各国的关注，成为近年来的热点。开发海洋的热潮正在全球兴起，而无线传感器网络技术的成熟使得研发低成本、高可靠性、低能耗的水下传感器网络（UWSN）成为可能[3]，并且逐渐成为新的研究热点。目前水下传感器网络主要应用于指定水下区域的实时信息采集、污染检测、海洋地质灾难检测和预防、水下导航定位、矿产资源勘探等方面[4]。
水下传感器网络传播能量的主要形式是声波模式，这是因为在水下环境中，由于受到高衰减的影响，无线电波在水下节点间的传播距离为50~100cm[5]，不适用于水下传感器网络，因此水下传感器网络利用水声进行通信，网络部署在及其复杂的水下环境中。传感器节点所处环境的不同，使得水下传感器网络与陆地传感器网络有许多不同之处[6]。水下信道具有带宽较低、数据传输时延大、误码率高，同时信号在水声信道中传输的衰减大等特性[7]，因此必须针对水下环境的特点，研究适合水下通信、组网和应用的水下传感器网络路由协议。路由协议作为协议栈的重要组成部分，主要负责建立源节点和目的节点之间的通信路径以及维护传感器网络等。水下传感器网络路由协议的设计主要面临如下挑战：通信信道质量被严重削弱、不适用无线电波、节点的流动性造成网络拓扑结构的动态性、有限的能量供应、节点定位与配置等问题[8]。利用仿真软件构建网络模型对水下通信进行仿真，对比研究不同路由协议的节点能耗、数据成功传输率和端到端传输时延等运行性能，在此基础上不断改进路由协议，能够帮助解决水下传感器网络的关键技术，推动水下传感器网络的深入研究和长远发展。
1.2 国内外研究现状
水下传感器网络的发展起源于上世纪50年代，美国在大西洋和太平洋耗巨资修建了庞大的水声监视系统（SOSUS），该系统在1991年美国太平洋海洋环境实验室的VENTS计划中对海洋环境进行了持续监测，发挥了直观重要的作用[9]；1993年美国海洋研究署和麻省理工学院通过共同开发的自主式智能海洋采样网络计划（AOSN）第一次提出了水下声学网络的概念[10]；1999年至2004年由美国海军研究办公室提出的Seaweb计划是比较成功的水下网络[11]，此外美国多所大学成立了专门的课题组对水下传感器网络进行了相关的研究。2003年美国国家科学基金委员会（NFS）为了推进无线传感网络基础理论的研究，加大了研究力度，制定了无线传感器网络研究计[12]。近年来欧盟在水下传感器网络中的研究也取得了比较大的进步，欧盟在海洋科学技术项目（MAST）计划的基础上开展了一系列水声通信网络研究的计划和工程，如LOTUS计划、SWAN计划等。此外，新加坡国立大学研究了采用水声通信的多机器人交互及水下组网技术，搭建了水下传感网络架构[13]，实现了有线网络与无线网络结合、静态节点与自主机器人结合。随着各国对海洋权益的日益重视，全球掀起了开发利用海洋的热潮，水下传感器网络已经成为了各国的研究焦点。
我国作为海洋大国，拥有300万km2的管辖海域，因此水下传感器网络在我国拥有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。我国在水下传感器网络的研究方面起步较晚，就整体水平而言，在海洋监测等方面的技术落后于先进国家，但目前已经取得了一定的研究成果。2006年国家自然科学基金将水下无线传感器网络列为重大基金项目，正式将水下传感器网络的研究和应用作为我国研究的重点问题[14]。目前我国主要研究单位是一些科研院校和研究所，其中包括东南大学、华中科技大学、中国科学院声学所、南京邮电大学、哈尔滨工程大学等。哈尔滨工程大学对水声信道仿真、多频编码、QPSK调制、自适应均衡、水下定位与导航等方面进行了较深入的研究；南京邮电大学的刘林峰等[15]构建了面向海洋监测的无线传感器网络体系结构；东南大学李霞等申请的2011年国家自然科学基金项目对“基于簇结构的水声通信网络拓扑算法”进行了研究，目前各高校取得的研究成果对水下传感器网络的发展具有重要的指导意义。

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