水声通信网络MAC协议研究

发布时间：2018-01-08 21:26

本文关键词：水声通信网络MAC协议研究　出处：《哈尔滨工程大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水声通信网络是获取海洋环境参数并将这些数据及时、有效地传递给处理中心的有效手段。水声信道可用带宽窄、载波传播速率低、水下设备能量有限且更换不便,需要通过有效的MAC协议来进行信道资源的合理分配,从而提高网络吞吐量、延长网络生存周期。但由于水声信道的特殊性,无线电中许多成熟的协议无法直接应用于水声通信网络,并且,目前国内外相关的研究成果大多为理论研究和软件仿真,真正能应用于水声通信网络实验的较少,仅是一些最基础的ALOHA协议和CSMA协议。本文主要从工程可实现性和实际应用的角度出发,对水声通信网络的MAC协议展开理论与实验研究,设计并实现了几种比ALOHA协议和CSMA协议效率更高、能量更省的MAC协议,并进行了湖试和海试。针对传统单信道条件下很难解决的隐藏终端与暴露终端问题,设计了一种基于全双工通信的双信道MAC协议(FD-MAC)。将水声信道虚拟地分成控制信道和数据信道,分配不同的频带和调制/解调方式分别进行控制报文与数据报文的传输。在这种机制下,节点在收发数据报文的同时可以解调来自其它节点的控制报文并做出回应,从而有效解决隐藏终端与暴露终端问题。实现FD-MAC协议的关键是要有能够进行全双工通信的modem,本文设计并实现了具有全双工通信能力的modem样机,通过双模通信、声障板等技术手段抑制本地发射干扰,采用矢量传感器来提高接收增益。最后在黄海进行了实验,对modem的点对点全双工通信能力、3用户全双工通信能力、隐藏终端和暴露终端的解决能力进行了测试。实验结果表明,该modem具有良好的全双工通信能力,基于全双工通信机制的FD-MAC协议具有工程可实现性,并且能有效解决隐藏终端和暴露终端问题。针对水声通信网络实现全网时钟同步困难、周期广播同步信号效率低的问题,设计了一种基于相对时钟的TDMA协议(RC-TDMA)。主节点根据与子节点的传播时延进行网络时间表安排,各子节点将时间表映射到本地时间轴上后根据本地时钟进行工作,不需要全网时钟的同步,并在数据传输过程中完成时钟漂移的修正。对主节点与子节点能量消耗不对称、新节点加入和旧节点消失、子节点工作时隙需求不同等问题提出了相应的解决方案。理论分析与仿真结果表明,RC-TDMA协议的性能受网络周期和保护间隔影响,根据网络负载选择合适的网络周期和保护间隔是提高性能的关键。水池实验和湖上实验结果表明,RC-TDMA协议简化了 TDMA协议的工程实现,并且具有比ALOHA和CSMA更好的性能,特别是在网络负载比较大的情况下,这种优势更加明显。针对区域性水下观测网络的应用背景,设计了一种无冲突的MAC协议,通过自顶向下的模式,由数据收集节点(网关或者AUV)主动向子节点请求数据,分配临时的信道独享,避免竞争信道产生的冲突和往复握手带来的延迟。由此带来的好处是在高网络负载的情况下,可以获得稳定的吞吐量,且端到端时延和能耗不受网络负载的影响。两种ACK模式的设计,在数据检验正确的情况下可以减少一个传播时延。此协议特别适用于由移动节点(AUV)进行水下传感器节点数据收集的应用场合。在千岛湖进行了小规模的网络监测实验,4个观测节点分别布放于不同水域的不同深度,携带CTD设置进行水温监测,网关节点负载数据的收集。从连续4天的观测结果来看,CF-MAC协议的运行状况良好,传感器数据能及时有效地传输到控制中心。利用水声信道的长传播时延和节点位置的远近效应,设计了一种基于距离感知的CSMA协议(DA-CSMA)。DA-CSMA协议的基本思想是允许“插队”。也即数据接收节点在等待数据发送节点发送数据时,可以回应其它节点的数据发送请求,在时间允许的情况下,可以让后预约的发送节点先进行数据传输。DA-CSMA协议一方面可以避免发送节点由于没有收到CTS信号而重复发送RTS信号造成数据的冲突;另一方面进行时间上的复用,可以提高网络吞吐量。DA-CSMA协议可以工作在半双工的条件下,获得理论上与FD-MAC协议工作在全双工条件下相似的性能,从硬件上降低了协议实现的复杂度。通过网络模拟器,对DA-CSMA协议进行半物理仿真,通过人为控制节点间距离的方式,验证了协议的工作流程。从观测结果来看,在节点间距离差异较大的网络中,DA-CSMA协议“插队”成功的机率较大,可以获得较好的性能。
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【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.3

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