水声传感器网络MAC协议设计与分析

发布时间：2017-04-27 22:01

  本文关键词：水声传感器网络MAC协议设计与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：不同于陆地上的无线电网络通常依赖无线电传输,由于衰减低和传播距离远的特性,水下通信普遍采用声波作为传输媒介。然而,由于声波传播速度慢,通信会引入较长的传播时延,这会严重降低吞吐率；水下传输过程中的能量消耗远高于接收过程；此外,不良的水下环境条件,例如,浮动节点移动性、误码率高、间歇性联通等特性,都构成了水下网络通信的一系列挑战。根据已有的观察,我们通过以下几个方面来提供可靠的高效传输：(1)预测并降低冲突与重传；(2)使用优化的MAC调度策略,使水下传感器网络高效通信。本文首先考察了DOTS协议,该协议使用被动获得的本地信息(邻居节点延迟和他们预期的传输)来提高并发传输的机会。但是,该协议并不能很好处理多个暴露终端或者隐藏终端节点同时竞争并发传输机会的情况,为此,本文提出改进的ADOTS算法,该算法通过次传输接入主传输机制及主传输侦听信道时间策略来降低并发竞争冲突的概率。其次,我们提出一个全新的水下MAC协议,UPMAC (Underwater Practical MAC protocol), UPMAC根据网络负载将协议分为两种不同模式(高低负载模式),并根据网络负载的实时进行切换来适应网络。UPMAC在低负载时使用夹带(Piggyback)技术来减少控制包的使用,同时缩短网络的往返延迟。此外,由于在高负载模式下,UPMAC采用Receiver-initialed的方式发送数据,能明显降低数据冲突率,提高吞吐量。最后,我们使用Aqua-Sim模拟器实现UPMAC、ADOTS及多个其他已有协议,并设置多个场景进行性能对比与分析,大量的仿真结果显示,本文设计的协议能够在随机和Sea Swarm拓扑中都能获得较好的性能。
【关键词】：水下声波传感器网络 MAC协议 Aqua-Sim
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 本文研究背景8
• 1.1.1 本文研究意义8
• 1.2 水下传感器网络简介8-11
• 1.2.1 水声传感器网络架构8-10
• 1.2.2 水声与陆地传感器网络区别10-11
• 1.2.3 水声传感器网络应用场景11
• 1.3 本文研究工作目的及本文结构11-12
• 2 水下传感器网络MAC协议研究12-21
• 2.1 水下物理层特性12-15
• 2.1.1 水下声波信道12-13
• 2.1.2 水下声传播特性13-14
• 2.1.3 商业和研究领域调制解调器14-15
• 2.2 水声传感器网络MAC层协议15-21
• 2.2.1 频分复用16-17
• 2.2.2 码分复用17
• 2.2.3 基于时间策略17-20
• 2.2.4 本文要解决的问题20-21
• 3 DOTS算法分析及改进21-31
• 3.1 DOTS设计思想21-23
• 3.1.1 DOTS整体框架21
• 3.1.2 DOTS详细介绍21-23
• 3.2 DOTS分析23-25
• 3.2.1 DOTS适用性23-24
• 3.2.2 DOTS暴露的问题24-25
• 3.3 DOTS改进25-31
• 3.3.1 DOTS改进方法25-29
• 3.3.2 改进后的算法ADOTS29-31
• 4 UPMAC协议的设计实现31-48
• 4.1 UPMAC协议原理32-38
• 4.1.1 UPMAC协议概要介绍32-33
• 4.1.2 UPMAC协议详细描述33-38
• 4.2 UPMAC协议分析38-48
• 4.2.1 模式转化和吞吐量分析38-40
• 4.2.2 冲突避免策略40-41
• 4.2.3 案例分析：Sea Swarm41-42
• 4.2.4 仿真代码分析42-48
• 5 仿真与结果分析48-57
• 5.1 仿真环境48-49
• 5.2 仿真参数设置49-50
• 5.3 仿真拓扑结构50-51
• 5.4 仿真结果统计与分析51-57
• 5.4.1 吞吐量51-53
• 5.4.2 剩余能量53-54
• 5.4.3 端到端延迟54-55
• 5.4.4 数据包大小和编码率55-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 附录A 水声传感器网络MAC协议分类及特性62-63
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况63-64
• 致谢64-65

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