概率匹配陷阱避免的水声网络随机媒介接入控制
发布时间：2021-10-22 16:29
发展海洋通信网络对于建设我国海洋强国战略目标具有重大意义,特别是依托于水声网络的广泛水下应用场景,具有重要的国防军事用途和潜在的经济价值。MAC层决定了信道的共享方式,致力于协调节点获取有限的信道资源。由于水声共享信道的独特性,使得MAC协议设计对水声网络的整体性能有着非常重要的影响。然而,水下环境的复杂多变使得水声网络MAC协议设计面临着诸多困难与挑战。随机媒介接入控制协议因其快速接入、设计简单的优势被广泛应用于水声网络之中。由于缺乏握手信令的交互来调度有序的传输,节点竞争接入信道容易造成碰撞冲突。碰撞冲突引发数据重传,不仅造成吞吐量性能的下降,还增大了时延和能耗开销,因此需要引入一定的退避机制来降低碰撞冲突的概率。现有的随机媒介接入控制协议退避算法大多围绕着陆地无线网络进行研究设计,由于水下环境与陆上无线环境差异显著,无法将其直接应用于水声网络中。而且,此类协议的退避算法设计普遍存在的另一个问题,退避策略的更新和选择往往是出自经验性的,采取这种启发式传输策略将使节点陷入概率匹配陷阱。为了解决这一问题,本文提出了一种概率匹配陷阱避免的随机媒介接入控制协议。通过建立起非合作博弈模型,节...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隐藏终端
第一章绪论7点C的存在。同理，节点C也无法知道节点A的存在，节点A、C互为对方的隐藏终端。当节点A和节点C同时打算向节点B发送数据时，由于侦听不到隐藏终端的存在，选择发送，最后会因为同时到达而产生碰撞。由于碰撞冲突所引起的数据重传，势必增加额外的能量消耗，这对能量受限的水声网络来说，意味着节点寿命的减少与网络生存周期的缩短。图1-1隐藏终端2、暴露终端：如图1-2所示，虚线表示节点的侦听范围大校节点A在节点C的侦听范围内。同理，节点C在节点A的侦听范围内。节点A、C互为对方的暴露终端。当节点A打算向节点B发送数据的同时，节点C打算向节点D发送数据，结果并不会造成碰撞。但是由于侦听到暴露终端的存在，都选择不发送，导致不必要的退避延时，这将会进一步恶化水声网络中数据传输的时延性能。同时，信道利用率的下降将带来全局网络吞吐量的减校图1-2暴露终端3、同步传输异步到达：如图1-3所示，虚线表示节点的侦听范围大校节点A在节点C的侦听范围内。同理，节点C在节点A的侦听范围内。节点A、C互为对方的暴露终端。节点C到节点B的传播时延为4s，节点A到节点B的传播时延为6s，我们
华南理工大学硕士学位论文8假设节点B处理接收数据的时间为1s。因此，当节点A、C同时向节点B发送数据时，数据异步到达节点B，并不会产生碰撞。但由于侦听到对方的存在，而选择不发送。与上述暴露终端一样，将会引起不必要的延时和信道空闲，从而导致水声网络性能的下降。图1-3同步传输异步到达由于隐藏终端、暴露终端和同步传输异步到达问题的存在，使得CSMA的载波侦听碰撞避免效果大打折扣，因此需要引入一种额外的减少碰撞的机制。随机接入协议经常设计合理的退避机制来减少数据包碰撞的发生，其中包括典型的截断二进制指数退避算法（TruncatedBinaryExponentialBackoff）[23]和p-坚持CSMA（p-PersistentCSMA）。前者通过计算出合适的退避竞争窗口来减少碰撞发生的概率，后者则通过计算合适的退避概率来达到这一目的。相比于优化竞争窗口的退避协议，概率退避协议有一个优势是不仅可以优化退避概率值的大小，同时还可以优化退避时间，调整更加灵活。然而，当前大部分带有退避机制的随机接入协议主要针对陆上无线网络环境的特性进行研究设计，将这些协议直接应用于水声网络中，将会遇到几个问题。1、静态策略的协议将退避竞争窗口或退避概率值设置成固定不变的，动态策略的协议则频繁跳跃式地更新退避参数。水下环境复杂多变，相比陆上无线网络，水声网络的信道质量状况起伏较大，因此需要一些更加平滑地更新退避参数的算法设计。2、鉴于水声网络与无线网络传播时延的显著性差异，退避时间的设置需要根据水声网络节点的分布情况和传播时延特性来优化设定。3、节点发送策略的选择经常是启发性的。特别的，当协议设计根据碰撞冲突概率的估计值来设置退避概率值的大小时，往往陷入了概率匹配陷阱。
【参考文献】：
期刊论文
[1]未来网络发展趋势与展望[J]. 黄韬,霍如,刘江,刘韵洁. 中国科学:信息科学. 2019(08)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]21世纪海上丝绸之路的文化价值及路径选择[J]. 郑剑玲. 学校党建与思想教育. 2017(16)
[4]基于演化博弈论的p-坚持CSMA网络接入控制研究[J]. 王乐,毛剑琳,诸浩富,郭宁. 计算机科学. 2016(09)
[5]我国发展物联网的重要战略意义[J]. 姚建铨. 人民论坛·学术前沿. 2016(17)
[6]适用于S-MAC协议的自适应随机退避机制研究[J]. 陶志勇,袁永财. 计算机应用与软件. 2015(12)
[7]无线网络MAC协议退避算法的改进[J]. 陈翰雄,黄奕铭,付雄. 信息化研究. 2015(05)
[8]美国海军水下传感器网络发展回顾[J]. 朱滨. 军事文摘. 2015(09)
[9]基于自适应变速因子的水声通信网MAC退避算法[J]. 张鹏程,徐志京,李进. 计算机工程与设计. 2014(11)
[10]基于进化博弈论的水声传感器网络介质访问控制协议[J]. 徐明,刘广钟,孙伟. 计算机应用. 2014(11)
博士论文
[1]无线Ad Hoc网络媒体接入控制机制研究[D]. 谢丽英.华南理工大学 2010
硕士论文
[1]基于退避机制的自组织网络接入算法的研究[D]. 刘晗.哈尔滨工业大学 2016
[2]Ad Hoc网络MAC协议中自适应退避算法研究[D]. 汪丽.安徽大学 2014
[3]Ad hoc网络多信道MAC协议的设计与实现[D]. 陆思敏.大连理工大学 2014
[4]应用博弈论改进CSMA/CA协议的研究[D]. 杨云晴.北京交通大学 2013
本文编号：3451468
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隐藏终端
第一章绪论7点C的存在。同理，节点C也无法知道节点A的存在，节点A、C互为对方的隐藏终端。当节点A和节点C同时打算向节点B发送数据时，由于侦听不到隐藏终端的存在，选择发送，最后会因为同时到达而产生碰撞。由于碰撞冲突所引起的数据重传，势必增加额外的能量消耗，这对能量受限的水声网络来说，意味着节点寿命的减少与网络生存周期的缩短。图1-1隐藏终端2、暴露终端：如图1-2所示，虚线表示节点的侦听范围大校节点A在节点C的侦听范围内。同理，节点C在节点A的侦听范围内。节点A、C互为对方的暴露终端。当节点A打算向节点B发送数据的同时，节点C打算向节点D发送数据，结果并不会造成碰撞。但是由于侦听到暴露终端的存在，都选择不发送，导致不必要的退避延时，这将会进一步恶化水声网络中数据传输的时延性能。同时，信道利用率的下降将带来全局网络吞吐量的减校图1-2暴露终端3、同步传输异步到达：如图1-3所示，虚线表示节点的侦听范围大校节点A在节点C的侦听范围内。同理，节点C在节点A的侦听范围内。节点A、C互为对方的暴露终端。节点C到节点B的传播时延为4s，节点A到节点B的传播时延为6s，我们
华南理工大学硕士学位论文8假设节点B处理接收数据的时间为1s。因此，当节点A、C同时向节点B发送数据时，数据异步到达节点B，并不会产生碰撞。但由于侦听到对方的存在，而选择不发送。与上述暴露终端一样，将会引起不必要的延时和信道空闲，从而导致水声网络性能的下降。图1-3同步传输异步到达由于隐藏终端、暴露终端和同步传输异步到达问题的存在，使得CSMA的载波侦听碰撞避免效果大打折扣，因此需要引入一种额外的减少碰撞的机制。随机接入协议经常设计合理的退避机制来减少数据包碰撞的发生，其中包括典型的截断二进制指数退避算法（TruncatedBinaryExponentialBackoff）[23]和p-坚持CSMA（p-PersistentCSMA）。前者通过计算出合适的退避竞争窗口来减少碰撞发生的概率，后者则通过计算合适的退避概率来达到这一目的。相比于优化竞争窗口的退避协议，概率退避协议有一个优势是不仅可以优化退避概率值的大小，同时还可以优化退避时间，调整更加灵活。然而，当前大部分带有退避机制的随机接入协议主要针对陆上无线网络环境的特性进行研究设计，将这些协议直接应用于水声网络中，将会遇到几个问题。1、静态策略的协议将退避竞争窗口或退避概率值设置成固定不变的，动态策略的协议则频繁跳跃式地更新退避参数。水下环境复杂多变，相比陆上无线网络，水声网络的信道质量状况起伏较大，因此需要一些更加平滑地更新退避参数的算法设计。2、鉴于水声网络与无线网络传播时延的显著性差异，退避时间的设置需要根据水声网络节点的分布情况和传播时延特性来优化设定。3、节点发送策略的选择经常是启发性的。特别的，当协议设计根据碰撞冲突概率的估计值来设置退避概率值的大小时，往往陷入了概率匹配陷阱。
【参考文献】：
期刊论文
[1]未来网络发展趋势与展望[J]. 黄韬,霍如,刘江,刘韵洁. 中国科学:信息科学. 2019(08)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]21世纪海上丝绸之路的文化价值及路径选择[J]. 郑剑玲. 学校党建与思想教育. 2017(16)
[4]基于演化博弈论的p-坚持CSMA网络接入控制研究[J]. 王乐,毛剑琳,诸浩富,郭宁. 计算机科学. 2016(09)
[5]我国发展物联网的重要战略意义[J]. 姚建铨. 人民论坛·学术前沿. 2016(17)
[6]适用于S-MAC协议的自适应随机退避机制研究[J]. 陶志勇,袁永财. 计算机应用与软件. 2015(12)
[7]无线网络MAC协议退避算法的改进[J]. 陈翰雄,黄奕铭,付雄. 信息化研究. 2015(05)
[8]美国海军水下传感器网络发展回顾[J]. 朱滨. 军事文摘. 2015(09)
[9]基于自适应变速因子的水声通信网MAC退避算法[J]. 张鹏程,徐志京,李进. 计算机工程与设计. 2014(11)
[10]基于进化博弈论的水声传感器网络介质访问控制协议[J]. 徐明,刘广钟,孙伟. 计算机应用. 2014(11)
博士论文
[1]无线Ad Hoc网络媒体接入控制机制研究[D]. 谢丽英.华南理工大学 2010
硕士论文
[1]基于退避机制的自组织网络接入算法的研究[D]. 刘晗.哈尔滨工业大学 2016
[2]Ad Hoc网络MAC协议中自适应退避算法研究[D]. 汪丽.安徽大学 2014
[3]Ad hoc网络多信道MAC协议的设计与实现[D]. 陆思敏.大连理工大学 2014
[4]应用博弈论改进CSMA/CA协议的研究[D]. 杨云晴.北京交通大学 2013
本文编号：3451468
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