水声传感器网络通信与竞争型MAC协议研究

发布时间：2020-05-31 19:15

【摘要】：近年来,随着军事和民用方面对海洋资源开发活动的增加,水声传感器网络的研究价值日益凸现。由于采用声波作为通信载体,水声传感器网络面临着延时高、带宽低、误码率高、信号衰减大等问题,这些问题给水声传感器网络的研究和设计带来了巨大挑战。如何针对这些挑战去构建高效稳定的水声传感器网络,对于海洋资源的合理开发来说至关重要。论文首先阐述了水声传感器网络的研究背景以及国内外相关技术的发展现状。目前的研究成果中,水声传感网中的传感器节点往往成本昂贵、体积庞大,并且功耗极高,传统的水下MAC(媒体接入控制)协议无法保障水声传感网拥有较高的吞吐量与能耗性能。针对这一现状,本文旨在设计一种基于微型传感器节点以及竞争型MAC改进协议构建的水声传感器网络。研究内容主要包括以下两部分:(1)微型水声传感器节点的研制。该部分的研究目标为设计一套低功耗、体积小以及集收发功能于一体的水声传感器装置,主要包括硬件电路与嵌入式系统软件设计。硬件模块主要包括电源转换电路、基于MSP430F5335处理器的微控制器核心电路、工作模式切换电路、信号发送电路以及信号接收电路。信号发送电路包括驱动放大电路、阻抗匹配电路,用于驱动T235水声换能器正常工作,从而保证数据能稳定地通过水下信道进行传输。信号接收电路包括增益放大电路、带通滤波电路,用于将换能器接收到的微弱电信号进行放大滤波,最后将该信号传输至微控制器进行采集。嵌入式系统软件按照TCP/IP分层模型划分成了三部分:物理层、应用层以及数据链路层。其中物理层部分负责微控制器硬件资源的初始化,应用层部分负责编写实现节点通信功能的相关应用程序,数据链路层部分负责制定MAC协议的移植。(2)竞争型MAC改进协议的仿真分析与移植。首先研究了基于竞争窗口(Contention Window,CW)的CW-MAC协议的工作原理,并针对其无法完全保障信道利用公平性的缺陷,提出了两种基于异构竞争窗口优化策略的HCW-MAC改进协议。紧接着在NS-3(Network Simulator Version 3)仿真平台上对CW-MAC以及HCW-MAC协议进行仿真比对,仿真结果验证了HCW-MAC协议的吞吐量与能耗性能均优于传统的CW-MAC协议,并且HCW-MAC II协议的性能效果最佳。最后完成HCW-MAC II协议在硬件平台上的移植,实现多个水声传感器节点之间的组网通信。论文最后对整体传感器网络系统进行组网通信测试,测试结果显示系统的通信传输成功率高于90%,通信功耗低于20W,达到了预定的设计要求。
【图文】：

杭州电子科技大学硕士学位论文说也是至关重要的[7]。内外研究现状声传感器网络研究现状20 世纪 40 年代初，为了应对可能来临的前苏联潜艇侵略，美国军方就开始在地置岸基声呐站，并建立起了一套代号为 SOSUS 的海底声呐监测系统[8]，该系统期的水声传感器网络系统，之后美国在此基础上对该系统进行了大量的改进并效果。4 年，WHOI（伍兹霍尔海洋研究所）在加利福尼亚海湾部署了 ALAN（水声局域用该网络系统对海底地震相关的数据进行采集从而达到预测地震灾害的目的。究所在 Monterey 海湾部署了代号为“PLUSNET”的近海水下传感器网络监控系研制目的主要是为了更好地探测和跟踪外来侵入的海洋军事设备。“PLUSNET图如图 1.1 所示：

图 1.2 “海网（SEAWEB）” 系统分布示意图声传感器节点的研制方面，最为出名的有 LinkQuest 公司的 UWM 系推出 ATM-88X、ATM-9XX 系列水声传感器[11]，它们已经可以很好地应传感器网络通信系统中，并且产品的体积大小、工作距离等参数可根据用ATM 系列水声传感器应用于网络通信时的工作模拟示意如图 1.3 所示，，传感器的性能指标如表 1.1 所示：
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.3

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本文编号：2690336