水下传感网在青海湖、三江源流域智能环境监测通信架构模型及传输技术研究

成果基本信息
关键词：	水下传感器网络;差分地理路由;多址接入;Micro ANP;路由切换
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	9632016J0378	资源采集日期：	2017-02-20

研究情况
单位名称：	青海师范大学	技术水平：
评价证书号：	青科成评字[2016]第094号	评价单位：	青海省科技厅
评价日期：	2016.06.12	评价证书号：	青科成评字[2016]第094号

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
（1）基于UWSN网络独有的通信模式和应用特点，设计了基于应用层、网络传输层和物理层以及综合管理平台的Micro-ANP通信协议架构模型，设计Micro-ANP网络传输层协议格式；应用优化理论研究UWSN网络环境下包的最佳负载长度：基于水声传输的Urick路径损耗公式、无竞争CDMA多址接入模型和前向纠错码技术，设定极大化包吞吐量、极小化每数据bit能耗、极小化资源消耗三个目标函数，求解包最佳负载长度。　　（2）提出了基于状态的水下传感器网络（UWSN）媒体访问控制（MAC）方法，并给出基于离散概率的分层分布式扩频码分配算法。每个节点动态维护一张邻居信息表，实时记录邻居节点信息，包括节点ID、层级、中间节点、扩频码索引、状态、极小接收功率等。节点根据邻居表信息获得本地分层着色图，基于该图和离散概率函数进行分层、分布式扩频码分配，在很大程度上降低了两跳邻居节点分配同一扩频码的概率，减少了并发传输的冲突；基于邻居表中接收节点状态信息控制信道访问，避免给半双工系统中处于发送状态的节点传输数据而产生干扰，解决了传统RTS/CTS握手机制在水下传感器网络造成的长延时、高能耗及信道闲置等系列问题。　　（3）基于节点级差、位差、应用优先级和剩余能量等多性能参数指标，实现差分地理路由调度算法。该算法基于节点间的层级差、剩余能量、密度、位置等信息执行路由。在执行路由之前，首先根据包的头部字段信息确定包所属的流量类型，不同类型的流量采用不同的路由决策。　　（4）在水下移动传感器网络中，网络结构动态变化往往导致单一的路由协议性能不能满足要求。项目组提出一种基于VBF的能量路由协议-E-VBF协议，通过设定数据包的优先级方式，实现自适应可靠传输与路由协议切换，满足不同业务对于传输时延的要求，来应对能量有限问题和由此引发的网络生存周期问题，使得转发数据包时，网络更加节省能耗，同时可以均衡网络节能的能量消耗状况，避免网络空洞，实现网络生存时间延长的目的。　　（5）Aqua-Sim是以NS-2为基础，针对水下环境特点开发的UWSN网络仿真软件，其物理层传播模型采用最基本Thorp模型，传播延迟只考虑了距离参数，而在实际环境中声速易受外界环境影响而发生变化；传播损耗模型只考虑了频率和距离，而没有考虑噪声因素。针对这些问题，在UCONN支持下，项目组提出了新的信道模型，设计了与Aquasim兼容的新版仿真系统。针对水声信道易受环境变量影响及当时NS-2物理层不能有效模拟水下物理信道的问题，将NS-2的物理层部分为“传播”， “信道”， “调制”和“物理特性”四个组件。其中如噪声和声速的计算借鉴了近年来水声学研究的发展成果，尽可能加入了环境参量，如温度，盐度，深度，风力，风向，船舶噪声等。该模拟器物理层建模达到了NS-2环境下通用水下信道建模的较高精确度。

成果名称：	水下传感网在青海湖、三江源流域智能环境监测通信架构模型及传输技术研究	关键词：	水下传感器网络;差分地理路由;多址接入;Micro ANP;路由切换
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	仪器仪表技术	三级分类名称：	传感器
研究起止时间：	2012.05 至2015.01	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	青海师范大学	学科分类2：	510.50
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：	TN929.3	课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	2012-Z-902
经费实际投入额（万元）：	20.00	评价单位：	青海省科技厅
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2016.06.12	转让范围：
评价证书号：	青科成评字[2016]第094号	推荐单位：	青海师范大学
推广形式：	无	成果登记号：	9632016J0378
成果简介：	（1）基于UWSN网络独有的通信模式和应用特点，设计了基于应用层、网络传输层和物理层以及综合管理平台的Micro-ANP通信协议架构模型，设计Micro-ANP网络传输层协议格式；应用优化理论研究UWSN网络环境下包的最佳负载长度：基于水声传输的Urick路径损耗公式、无竞争CDMA多址接入模型和前向纠错码技术，设定极大化包吞吐量、极小化每数据bit能耗、极小化资源消耗三个目标函数，求解包最佳负载长度。　　（2）提出了基于状态的水下传感器网络（UWSN）媒体访问控制（MAC）方法，并给出基于离散概率的分层分布式扩频码分配算法。每个节点动态维护一张邻居信息表，实时记录邻居节点信息，包括节点ID、层级、中间节点、扩频码索引、状态、极小接收功率等。节点根据邻居表信息获得本地分层着色图，基于该图和离散概率函数进行分层、分布式扩频码分配，在很大程度上降低了两跳邻居节点分配同一扩频码的概率，减少了并发传输的冲突；基于邻居表中接收节点状态信息控制信道访问，避免给半双工系统中处于发送状态的节点传输数据而产生干扰，解决了传统RTS/CTS握手机制在水下传感器网络造成的长延时、高能耗及信道闲置等系列问题。　　（3）基于节点级差、位差、应用优先级和剩余能量等多性能参数指标，实现差分地理路由调度算法。该算法基于节点间的层级差、剩余能量、密度、位置等信息执行路由。在执行路由之前，首先根据包的头部字段信息确定包所属的流量类型，不同类型的流量采用不同的路由决策。　　（4）在水下移动传感器网络中，网络结构动态变化往往导致单一的路由协议性能不能满足要求。项目组提出一种基于VBF的能量路由协议-E-VBF协议，通过设定数据包的优先级方式，实现自适应可靠传输与路由协议切换，满足不同业务对于传输时延的要求，来应对能量有限问题和由此引发的网络生存周期问题，使得转发数据包时，网络更加节省能耗，同时可以均衡网络节能的能量消耗状况，避免网络空洞，实现网络生存时间延长的目的。　　（5）Aqua-Sim是以NS-2为基础，针对水下环境特点开发的UWSN网络仿真软件，其物理层传播模型采用最基本Thorp模型，传播延迟只考虑了距离参数，而在实际环境中声速易受外界环境影响而发生变化；传播损耗模型只考虑了频率和距离，而没有考虑噪声因素。针对这些问题，在UCONN支持下，项目组提出了新的信道模型，设计了与Aquasim兼容的新版仿真系统。针对水声信道易受环境变量影响及当时NS-2物理层不能有效模拟水下物理信道的问题，将NS-2的物理层部分为“传播”， “信道”， “调制”和“物理特性”四个组件。其中如噪声和声速的计算借鉴了近年来水声学研究的发展成果，尽可能加入了环境参量，如温度，盐度，深度，风力，风向，船舶噪声等。该模拟器物理层建模达到了NS-2环境下通用水下信道建模的较高精确度。
联系人：	久美多杰	成果登记日期：	2016-06-22
联系人email：	kjc@qhnu.edu.cn	单位代码：	96300185
邮政编码222：	810008	联系人电话：	0971-6306206
单位传真：		单位通讯地址：	青海省西宁市城西区五四西路38号
单位所在省市：		单位电话：	0971-6306206;6307653;6301977
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	天津大学	已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2016	知识产权形式：
成果完成人：	杜秀娟;金志刚;黄科军;耿生玲;魏辰;彭春燕;张振京;柳秀秀;苏毅珊;李梅菊;李雅婧;李同锋;兰胜林;刘雪珂;牛昆	资源采集日期：	2017-02-20

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