水下傳感器網絡研究 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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杜秀娟，蘇毅珊 著

圖書標籤:

• 傳感器網絡
• 水下通信
• 水聲通信
• 無綫傳感器網絡
• 海洋工程
• 數據傳輸
• 網絡協議
• 能量管理
• 信道建模
• 定位算法

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030500670

版次：1

商品編碼：12045774

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2016-09-01

用紙：膠版紙

頁數：198

字數：300000

正文語種：中文

內容簡介

　　水下傳感器網絡采用聲波進行通信，具有長時延、低帶寬、高誤碼率、動態拓撲、能量受限等係列特性，節點的有限資源決定瞭其上運行的協議不能太復雜，而現有的通信協議棧難以滿足水下傳感器網絡性能要求。
　　《水下傳感器網絡研究》分析瞭水下傳感器網絡的應用、通信特點，以及傳統協議架構在水下傳感網絡的應用局限性，闡述瞭：Micro-ANP通信協議架構及水下傳感器網絡的各層協議與關鍵設計技術，並給齣Micro-ANP架構的實現。
　　《水下傳感器網絡研究》的編寫重視理論結閤實際應用，使相關領域的讀者能夠比較容易地理解《水下傳感器網絡研究》內容。
　　《水下傳感器網絡研究》既可作為學習無綫網絡、傳感器網絡、物聯網技術的本科生和研究生的參考書，也可作為從事物聯網、水下傳感器網絡的工程技術及研究人員的參考書。

內頁插圖

目錄

前言

第1章 水下傳感器網絡概述
1．1 水下傳感器網絡
1．2 水聲通信的特點
1．3 水下傳感器網絡麵臨的問題與挑戰
參考文獻

第2章 Micro-ANP協議體係架構
2．1傳統協議架構在水下傳感器網絡的局限性
2．1．1 FCP／IP應用層在UWSN的應用局限
2．1．2 TCP／IP傳輸層在UWSN的應用局限性
2．1．3 TCP／IP網絡層在UWSN的應用局限性
2．1．4 FCP／IP數據鏈路層在UWSN的應用局限性
2．1．5 TCP／IP物理層在UWSN的應用局限性
2．1．6 ZigBee協議棧在UWSN網絡中的局限性分析
2．2 Micro-ANP協議體係架構
2．3 Micro-ANP包負載優化
2．4 水下網絡模擬器與試驗床
2．4．1 主流網絡仿真器簡介
2．4．2 UWSN模擬器發展現狀及分析
2．4．3 基於模塊化的LIWSN模擬器平颱設計
2．4．4 Aqua-Sim2性能評價
2．4．5 多功能水下網絡試驗床
2．5 基於NS2和Aqua-Sim的Micro-ANP架構模型仿真實現
2．5．1 NS2與Aqua-Sim仿真平颱
2．5．2 Micro-ANP仿真中的結構定義
參考文獻

第3章 水下傳感器網絡物理層
3．1 水聲信道特性
3．1．1 水聲信道衰減模型
3．1．2 水聲信道時延及時延抖動
3．1．3 水聲信道可用帶寬
3．1．4 水聲信道多徑效應和多普勒效應
3．1．5 水聲信道空間復用模型
3．2 水聲通信技術
3．2．1 水聲通信技術發展曆史
3．2．2 相位相乾水聲通信的研究現狀
3．2．3 多載波水聲通信的研究現狀
3．2．4 網絡編碼
3．2．5 水下網絡網絡編碼麵臨挑戰
3．3 水下認知聲學網絡
3．3．1 水下聲學“係統”
3．3．2 水下頻譜的不充分利用
3．3．3 頻譜管理策略
3．3．4 環境感知
3．3．5 頻譜共享
3．3．6 物理層參數重配置
3．3．7 LJCAN麵臨挑戰
3．4 Micro-ANP架構的物理層仿真實現
3．4．1 UnderwaterPropagation類
3．4．2 EnergyModel類
3．4．3 I_JnderwaterChannel類
3．4．4 UnderwaterPhy類
參考文獻

第4章 MAC協議
4．1 MAC協議概述
4．2 SlottedFAMA
4．2．1 Slotted FAMA工作流程
4．2．2 Slotted FAMA協議吞吐量分析
4．3 T-LOhi
4．4 U-PC．MAC
4．4．1 LJPC．MAC機製
4．4．2 功率控製算法
4．4．3 速率調整算法
4．5 多信道協議UMMAC
4．5．1 IJMMAC機製
4．5．2 多信道隱蔽終端問題
4．5．3 聯閤信道分配與功率控製算法
4．6 SFM-MAC
4．6．1 SFM．MAC概述
4．6．2 SFM-MAC分析與討論
4．7 基於CDMA和節點狀態的MAC協議
4．7．1 傳統的基於CDMA的MAC協議
4．7．2 基於狀態的MAC協議
4．8 MAC協議在Micro-ANP下的仿真實現
4．8．1 MAC協議的相關結構與類
4．8．2 LlnderwaterMac類的定義與實現
4．8．3 BoradcastMac類的定義與實現
4．8．4 基於CDMA與節點狀態的MAC協議類的定義與實現
參考文獻

第5章 路由協議
5．1 水下傳感器網絡路由協議分類
5．2 水下網絡路由協議研究現狀
5．2．1 基於矢量轉發路由協議VBF_l
5．2．2 FBR
5．2．3 基於深度路由協議DBR．
5．2．4 水下DTN路由協議
5．3 基於層級的水下傳感器網絡自適應地理路由協議
5．3．1 基於層級的定嚮泛洪
5．3．2 上行流量自適應路由
5．3．3 基於層級和位置的下行路由機製
5．3．4 性能評估
5．4 Micro．砧帥架構下路由協議仿真實現
5．4．1 靜態路由算法
5．4．2 LB-AGR路由協議與實現
參考文獻

第6章 基於RLT的水聲傳感器網絡逐跳可靠傳輸機製
6．1 傳統的可靠傳輸機製在uwSN中的應用局限
6．2 RLT編碼方案
6．2．1 RLT度分布
6．2．2 RLT編解碼過程
6．2．3 RLT編碼統計分析
6．3 基於RLT的水聲傳感器網絡逐跳可靠傳輸機製
6．4 性能評估
6．4．1 仿真結果
6．4．2 性能對比
參考文獻

第7章 水下節點定位技術
7．1 非測距定位技術
7．2 距離相關定位技術
7．2．1 測距技術
7．2．2 基於固定節點的距離相關定位技術
7．3 水中哺乳動物被動定位算法及運動預測算法
7．3．1 水下哺乳動物發聲特性研究現狀
7．3．2 雙麯綫被動定位算法
7．3．3 基於多普勒的海豚遊速估計算法SMD
參考文獻

第8章 Micro-ANP應用層仿真實現

縮略詞錶

前言/序言

　　無綫傳感器網絡（WSN）將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，擴展瞭人們的信息獲取和管控能力，在國防軍事、環境監測、目標跟蹤、搶險救災、智能控製、生物醫療等領域具有廣泛的應用前景，成為信息科學的重要研究領域。將傳感器網絡應用到水環境中的新型網絡形式——水下傳感器網絡（UWSN）的研究與應用也逐漸受到各國工業界、學術界、科研機構等極大關注，水下傳感器網絡直接細粒度的實時數據為有效解決水下監測提供重要保障基礎。
　　目前存在多種無綫通信協議，不同生産廠傢在硬件平颱、操作係統等方麵沒有統一的標準。ZigBee協議棧在物理層與數據鏈路層基於IEEE802.15.4標準。IEEE802.15.4是為省電而設計的標準，要求短時間的數據傳輸操作，不能傳輸大量數據。IEEE802.11無綫通信能夠傳送很大數據量，但是耗電量很多，不適用於長延時、低帶寬、高錯誤率、有限能量、稀疏拓撲的UWSN網絡要求。水聲信道的獨有特性使UWSN協議設計麵臨諸多挑戰。目前UWSN研究正處於起步階段，且多集中在路由和MAC層，針對UWSN的協議體係架構較少有人問津。
　　UWSN傳感器節點的計算、存儲、能量等資源十分有限，其上運行的協議棧不能太復雜。迄今為止的UWSN研究大多基於傳統的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層的五層協議模型，基於該五層模型的研究錶明，在水下信道復雜多變、節點資源有限的UWSN環境，網絡高效性隻有通過跨層設計來實現。為瞭剋服分層設計帶來信息不能共享的短闆，根據具體應用將從物理層、MAC層，再到路由、傳輸和應用層，從傳輸功率控製、信道編碼、路由實現到可靠傳輸等采用跨層優化設計，將某一層的性能變化、運行狀況、字段信息等嚮隸屬其他層的協議匯報並使其他層協議的決策做齣閤適調整，從而充分利用UWSN的有限資源，但過多的跨層設計會帶來無法剋服的復雜問題。
　　本書闡述瞭Micro-ANP通信協議架構及該協議架構下水下傳感器的物理層和網絡傳輸的關鍵設計。杜秀娟負責全書的設計、統稿和修改，編寫瞭第1、第6和第8章，並與天津大學的蘇毅珊博士閤作編寫瞭第2～第5章；第7章由蘇毅珊博士負責撰寫。感謝蘇博士所做的大量工作，同時也感謝天津大學的金誌剛教授，他為本書的撰寫提齣瞭很多寶貴意見。
　　由於水平有限，書中的不妥之處在所難免，希望廣大讀者惠於賜教。作者將在汲取大傢意見和建議的基礎上，不斷完善書中內容，為推動該領域的進步盡一份綿薄之力。

《深海探秘：傳感器網絡構建與應用實踐》 內容概要： 本書是一部深入探討構建高效、可靠的水下傳感器網絡（Underwater Sensor Networks, UWSNs）的綜閤性技術專著。我們聚焦於UWSNs在現代海洋科學研究、環境監測、資源勘探以及軍事應用等領域日益增長的關鍵作用，係統闡述瞭該領域的核心理論、關鍵技術、麵臨挑戰以及前沿解決方案。全書從基礎概念入手，逐步深入到復雜的設計考量和實際部署，旨在為讀者構建一個全麵、深刻的理解框架，並提供切實可行的技術指導。 第一部分：水下傳感器網絡的基礎理論與挑戰 本部分將首先為讀者奠定堅實的基礎，梳理UWSNs的起源、發展曆程及其與傳統陸地傳感器網絡（Terrestrial Sensor Networks, TSNs）的本質區彆。我們將詳細剖析水下環境的獨特性，包括： 通信介質的差異： 水下通信以聲波為主，其帶寬有限、傳播速度慢、易受噪聲乾擾且方嚮性差，與陸地上基於電磁波的通信截然不同。本書將深入分析聲波傳播的物理模型，包括傳播損耗、多徑效應、多普勒效應等，以及這些因素如何影響網絡性能。 能量約束： 水下節點通常依靠電池供能，充電睏難且成本高昂。因此，能量效率是UWSNs設計的核心考量，需要從硬件選擇、節點部署、通信協議設計到數據處理等各個環節進行優化。 節點部署與拓撲： UWSNs的部署方式多樣，包括固定式、移動式（自主水下航行器AUVs、潛水器等）以及混閤式。不同的部署策略對網絡的連通性、覆蓋範圍和魯棒性有著顯著影響。我們將探討各種部署模式的優缺點，並介紹靜態和動態拓撲的形成與維護方法。 環境因素的挑戰： 海水的高壓、腐蝕性、溫度變化以及海流等環境因素對水下設備的可靠性和壽命構成嚴峻考驗，需要特殊的材料、封裝和設計來應對。 數據傳輸與處理： 海量數據的采集、壓縮、存儲以及在有限帶寬下傳輸到岸基係統，是UWSNs麵臨的另一大難題。我們將介紹數據采集策略、數據融閤技術以及高效的數據傳輸協議。 第二部分：核心技術與關鍵算法 本部分將深入探討構建高效UWSNs所需的各項關鍵技術和算法。 水下通信協議： MAC層協議： 鑒於水下通信的特點，傳統的MAC協議（如CSMA/CD, TDMA）往往不適用。我們將重點介紹針對水下環境設計的MAC協議，例如基於時隙分配、信標信號、授權與衝突避免等機製的協議，並分析其性能錶現。 路由協議： UWSNs的路由設計需要考慮節點移動性、能量約束和網絡拓撲變化。我們將詳細介紹各種靜態和動態路由算法，包括麵嚮連接、無連接、基於地理位置、基於能量感知的路由策略，並對比其在不同場景下的適用性。 可靠性與擁塞控製： 在不可靠的水下信道中保證數據傳輸的可靠性至關重要。我們將探討各種錯誤檢測與糾正機製、重傳策略以及擁塞控製算法，以最大化數據包的成功率。 網絡節點設計與管理： 節點硬件選擇： 詳細介紹適閤水下環境的傳感器、處理器、通信模塊（聲學調製解調器）以及能源供應係統（電池、能量收集等）的選擇標準和技術要求。 節點定位與同步： 精確的節點位置信息對於許多水下應用至關重要。我們將介紹各種水下定位技術，包括基於聲學信號的相對定位和絕對定位，以及時間同步的挑戰與解決方案。 能量管理： 深入探討能量感知路由、休眠/喚醒機製、數據壓縮以減少傳輸量等能量節約技術，並介紹能量收集技術的最新進展。 節點部署優化： 介紹基於覆蓋率、連通性、能量消耗等指標的節點部署優化算法，包括靜態部署和動態重部署策略。 數據處理與管理： 數據采集策略： 探討事件驅動、周期采樣、自適應采樣等數據采集方法，以及如何根據應用需求和網絡資源進行優化。 數據融閤技術： 介紹分布式和集中式數據融閤技術，以提高數據的準確性和魯棒性，減少冗餘信息。 數據壓縮與編碼： 探討在帶寬受限的情況下，如何有效地壓縮和編碼數據，以減少傳輸開銷。 數據存儲與檢索： 討論如何在網絡邊緣節點或水下基站進行有效的數據存儲和檢索，以及支持分布式查詢的方法。 網絡安全： 水下安全威脅： 分析UWSNs麵臨的特有安全威脅，例如物理攻擊、通信監聽、欺騙攻擊、節點失效等。 安全機製： 探討適用於UWSNs的安全機製，包括身份認證、數據加密、訪問控製以及入侵檢測技術，並分析其在聲學通信環境下的實現挑戰。 第三部分：水下傳感器網絡的典型應用與案例分析 本部分將通過具體的應用場景，生動地展示UWSNs的強大能力與廣闊前景。 海洋環境監測： 水質監測： 介紹如何利用UWSNs實時監測海水溫度、鹽度、pH值、溶解氧、汙染物濃度等關鍵參數，為海洋生態保護和汙染預警提供數據支持。 海洋生物監測： 探討UWSNs在追蹤海洋生物遷徙、研究種群分布、監測生物多樣性等方麵的應用，例如通過聲學傳感器識彆海洋哺乳動物。 海底地質與勘探： 介紹UWSNs在海底地震監測、海底地形測繪、油氣資源勘探等領域的應用。 氣候變化研究： 闡述UWSNs在收集長期海洋觀測數據，研究海洋在氣候變化中的作用，例如記錄深海溫度變化和海平麵上升。 海洋資源管理： 漁業資源管理： 探討UWSNs如何用於監測漁場動態、評估魚類資源、打擊非法捕撈。 海底礦産資源開發： 介紹UWSNs在海底礦産資源勘探、開發過程中的實時監測與管理。 水下安防與軍事應用： 軍事偵察與監視： 介紹UWSNs在水下目標探測、監視、情報收集等方麵的應用。 水下導航與通信： 探討UWSNs如何輔助水下導航係統，提供水下通信鏈路。 反潛戰： 介紹UWSNs在探測和跟蹤潛艇方麵的潛在應用。 水下考古與探索： 沉船探測與遺址勘探： 介紹UWSNs如何協助水下考古學傢進行大規模區域的探測和精細化勘探。 我們還將深入剖析幾個具有代錶性的UWSNs項目案例，詳細介紹其係統架構、關鍵技術實現、部署經驗和取得的成果，為讀者提供寶貴的實踐參考。 第四部分：未來發展趨勢與展望 最後，本部分將對UWSNs的未來發展方嚮進行展望。 智能化與自主性： 探討如何將人工智能、機器學習等技術引入UWSNs，實現更高級彆的數據分析、預測以及節點的自主決策和協同工作。 多模態融閤： 展望集成聲學、光學、磁力等多種傳感器類型的UWSNs，以獲取更豐富、更全麵的海洋信息。 能量采集與可持續性： 介紹利用海洋能（如潮汐能、溫差能）為UWSNs節點供能的前沿研究，以提高網絡的持久性和自主性。 標準化與互操作性： 討論推動UWSNs技術標準化的重要性，以促進不同係統之間的互聯互通。 水下網絡與陸地網絡的融閤： 探討如何將UWSNs無縫連接到現有的互聯網和物聯網基礎設施，實現數據的高效共享與利用。 本書匯集瞭眾多前沿研究成果和工程實踐經驗，力求為讀者提供一個係統、深入的學習平颱。無論您是海洋科學傢、環境工程師、通信研究人員，還是對神秘的海洋世界充滿好奇的探索者，本書都將是您不可或缺的參考指南，引領您深入理解並掌握水下傳感器網絡的精髓。

評分☆☆☆☆☆

我個人對書中關於“標準化與互操作性”的討論印象尤為深刻。在任何一個新興的技術領域，標準的建立和統一都是其走嚮成熟和廣泛應用的關鍵一步。作者在這一部分，詳細分析瞭當前水下傳感器網絡領域麵臨的標準化挑戰，以及一些國際組織和研究機構在這方麵所做的努力。他並沒有迴避這個領域存在的不足，而是坦誠地指齣瞭在不同廠商、不同協議之間實現互聯互通的睏難。我特彆欣賞書中對“開放式架構”和“模塊化設計”的強調。這些理念的提齣，不僅僅是為瞭解決眼下的技術難題，更是為瞭構建一個可持續發展的生態係統。當不同的係統能夠互相兼容，應用開發者就能夠更專注於創新，而不是被瑣碎的集成工作所睏擾。這種長遠的眼光和對行業發展的深刻洞察，讓這本書顯得尤為寶貴。它不僅僅是一部技術指南，更是一份對未來水下傳感器網絡發展路徑的思考和期許，這對於任何一位希望在這個領域有所建樹的研究者或工程師來說，都具有重要的啓示意義。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我的整體感受是，它在技術深度和應用廣度之間找到瞭一個絕佳的平衡點。在對一些關鍵技術進行深入剖析的同時，它也沒有忽視這些技術在實際應用場景中的落地問題。我注意到書中有一個章節專門討論瞭“水下傳感器網絡的應用前景”，其中列舉瞭包括海洋環境監測、資源勘探、水下考古、甚至軍事偵察等多個領域。這讓我深刻地意識到，水下傳感器網絡並非隻是一個抽象的理論概念，而是具備著改變我們認知和利用海洋方式的巨大潛力。特彆是其中對於“智能漁業養殖”的設想，讓我眼前一亮。想象一下，通過部署密集的傳感器網絡，實時監測養殖水域的水質、溫度、溶氧量等關鍵參數，並根據反饋信息進行智能化調控，這無疑能夠大大提高養殖效率，降低資源損耗。這種將前沿技術與民生緊密結閤的視角，讓這本書不僅僅局限於學術研究，更增添瞭一份人文關懷和未來願景。它讓我看到瞭科技進步所能帶來的切實改變，也激發瞭我對未來海洋科技發展的美好憧憬。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計著實讓人眼前一亮，封麵那一抹深邃的海藍色，搭配上若隱若現的水下光影效果，瞬間就將人拉入瞭那個神秘而迷人的未知領域。我原本對“水下傳感器網絡”這個術語瞭解不多，隻覺得它聽起來像是某種高科技的代名詞，可能與海洋探索、軍事應用之類的專業領域息息相關。然而，在翻閱這本書的初步印象中，我被它所呈現齣的那種嚴謹而又不失想象力的學術氛圍所吸引。即使我尚未深入每一個章節的細節，單憑其目錄和前言部分，就能感受到作者在組織內容時所下的苦心。它似乎構建瞭一個邏輯清晰的知識體係，從基礎理論的鋪陳，到各種技術細節的剖析，再到未來發展趨勢的展望，環環相扣，層層遞進。我尤其對其中關於“水下通信挑戰”的章節充滿瞭好奇，畢竟在陸地上我們已經習以為常的無綫通信，在水下環境會麵臨怎樣截然不同的難題？書中能否提供一些創新的解決方案，抑或是對現有技術的深入解讀？這些都是我迫不及待想要瞭解的。總而言之，這本書給我的第一感覺是非常專業且富有深度，它不僅僅是一本技術手冊，更像是一扇通往水下傳感器網絡世界的窗戶，讓我得以窺見這個領域的前沿動態和無限可能。

評分☆☆☆☆☆

讀到這本書的某些章節，我被作者的敘事方式深深打動瞭。他用一種近乎講故事的口吻，將那些原本可能枯燥的技術概念娓娓道來。比如，在介紹傳感器節點的設計時，他並沒有單純地羅列參數和規格，而是通過設想一個真實的海洋探測場景，來解釋為什麼需要這樣的設計，以及這些設計在實際應用中會遇到哪些問題。這種“問題導嚮”的寫作手法，讓我在閱讀過程中始終保持著高度的參與感，仿佛自己也置身於那個需要剋服重重睏難去完成任務的團隊之中。我特彆欣賞書中對於“能量約束”這一核心問題的探討。在資源極其有限的水下環境中，如何讓傳感器節點長時間穩定地工作，這絕對是一項巨大的挑戰。作者通過分析不同的能量采集技術和節能策略，提齣瞭多種行之有效的方案，並結閤具體的案例進行瞭深入的闡述。這讓我不禁聯想到，在很多科技研發項目中，解決“短闆”問題往往比追求“最佳”更加重要，而這本書恰恰展現瞭這種實事求是的科學精神。它不僅提供瞭理論上的指導，更蘊含瞭豐富的實踐經驗，這對於想要將理論付諸實踐的讀者來說，無疑是寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

在閱讀過程中，我注意到作者在處理復雜概念時，常常會輔以大量精細的圖錶和示意圖。這些圖錶並非簡單的裝飾，而是起到瞭至關重要的輔助理解作用。例如，在解釋“多路徑傳播”對水下通信造成的影響時，作者繪製瞭一係列能夠清晰展現聲波在水中反射、摺射過程的圖示。這比純粹的文字描述要直觀得多，能夠幫助讀者迅速把握問題的本質。我尤其喜歡書中那些用於展示網絡拓撲結構和數據傳輸流程的圖。它們就像是為我打開瞭一扇窗，讓我能夠清晰地“看到”傳感器節點是如何協同工作的，數據又是如何層層傳遞、最終匯聚到目標點的。這種可視化呈現方式，極大地降低瞭理解門檻，使得即使是對該領域不太熟悉的讀者，也能相對輕鬆地跟隨作者的思路。此外，書中在描述算法和協議時，也常常配有流程圖，這使得算法的邏輯步驟一目瞭然，大大提高瞭閱讀效率。總的來說，這本書在視覺呈現方麵做得非常齣色，充分體現瞭“好的圖錶勝過韆言萬語”的道理。