基于跨层MAC协议的水声网络节点定位研究

The node localization of underwater acoustic network node localization is becoming the main forms of underwater wireless communications, with extensive and urgent application in data collection, tracking and detecting the target node. At the same time, the development of underwater acoustic network tends to become the large-scale sensor network system, with two characteristics of a huge number of nodes and intensive node deployment, so the multiple sensor nodes shared channel in the MAC protocol can be used in the research of wireless sensor network localization. This project puts forward “Research on node positioning of underwater acoustic network based on cross layer MAC protocol” which aims to:1) figure out the characteristics of underwater acoustic network node localization algorithm, build the Range-Free positioning algorithm which suits the characteristics of the underwater channel; 2) build the cross layer structure of underwater acoustic network positioning, combined with the data link layer of MAC protocol shared channel, and design the locating algorithm on the top of MAC protocol with effect evaluation of algorithm; 3) build verification system based on Opnet, realizing the underwater acoustic network node localization objective and accurate cross layer model.

水声网络节点定位正日益成为水下无线通信的主体业务形态，在数据标识和收集、水下节点跟踪和探测目标节点位置信息等方面都有广泛而迫切的应用需求。同时水声网络的发展也趋向于大规模传感器网络系统，具有节点数量大和部署密集这两大特征，所以在传感器网络定位研究中需要加入MAC协议对多传感器节点共享信道。本项目提出的“基于跨层MAC协议的水声网络节点定位研究”，目的在于：1）探讨水声网络节点定位算法的特性，研究符合水下信道特点的Range-Free定位算法；2）建立水声网络定位的跨层架构，结合数据链路层MAC协议共享信道，并将定位算法设计于MAC协议的上层，同时评测MAC协议对定位算法的影响；3）基于OPnet构建验证系统，实现客观和准确的水声网络节点定位跨层模型。

项目重点针对基于跨层MAC协议的水声网络节点定位进行研究。在项目的支持下，完成了以下内容：.1）水声网络Range-Free定位算法研究。我们针对传统APIT存在的误判概率大和冗余度误差严重等问题，提出了改进的I-APIT算法。I-APIT算法不仅限制了相邻节点的选择范围，而且采用点扫描算法来估计位置。结果显示定位精度相比传统的APIT算法有着很好的提升，尤其是存在由于偏远邻居节点所带来误差的情况下。.2）水声网络跨层MAC协议模型研究。我们首先研究了质心算法、传统的APIT算法和我们所提出的I-APIT算法在无MAC协议和TDMA协议下，碰撞对定位结果所带的影响。通过改变节点密度和通信距离，结果显示在无MAC协议时，碰撞会带来定位精度明显的下降。我们同时针对一种非同步定位方案，分析了包碰撞产生的原因，并在MAC层增加VI-ALOHA协议，主要是通过增加时空随机性来减少碰撞。通过对比定位覆盖、丢包率和定位速度等参数，结果显示增加MAC协议减少碰撞可以明显的提高定位性能。.3）基于OPNET构建跨层模型研究。我们首先结合水声信道的特性，进行水声网络物理层建模，为上层协议仿真的准确性奠定基础。水声信道是目前为止最复杂的传输环境之一，我们进行了水池实验，以验证实际情况下接收信号的信号强度与接收距离的关系，采取相对衰减的方式来计算各接收端所得的数值。我们在OPNET平台上构建了接近于真实环境的水下传感网络，并对所提出的跨层MAC协议架构进行建模仿真，实现了水声网络跨层定位的评测系统。.基于以上成果，项目组发表标注本项目基金资助号的论文9篇，申请国家发明专利3项（授权1项）。在人才培养方面：通过课题研究，培养毕业硕士研究生邓宇、陈晔、韦倩，博士研究生陈胜利；在读硕士研究生许佳慧，林灿，黄南宇。在学术交流方面，出席国内外学术交流多次，2016年Oceans会议（上海）、2017年ICSPCC会议（厦门）、2018年Oceans会议（神户）、2018年WUWNet会议（深圳）、2018年水声通信重点项目群研讨会议（广州）等。