基于CSMA的水声传感器网络MAC协议的研究与实现

发布时间：2017-08-19 21:00

  本文关键词：基于CSMA的水声传感器网络MAC协议的研究与实现

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【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,水声传感器网络在海洋环境监测、矿藏探明开发、辅助导航、自然灾害预警、海上军事防御等方面有着广泛应用。与成熟的陆上无线网络不同,水声传感器网络有着环境恶劣、可用带宽窄、传播时延长、信号衰减大、多径明显、多普勒频移等特点。因此,陆上无线通信的媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议不能直接用于水声传感器网络中。作为水声传感器网络的主要组成部分,媒体接入控制协议需要同时兼顾吞吐量、端到端时延和能耗等性能指标。迄今为止,研究者们设计了很多不同机制的MAC协议,以满足不同水声传感器网络场景的组网需要。本文针对传感网络末端500m范围内的互通子网络,研究了基于CSMA的CW-MAC(Contention Window-MAC)协议在此网络场景下应用。根据吞吐量与竞争窗口的关系,提出了一种基于黄金分割法的动态最优竞争窗口搜索方法。本文在CW-MAC基础上提出了基于差异化竞争窗口改进的DCW-MAC(Differentiated Contention Window-MAC)协议,提出的DCW-MAC协议根据节点到信宿或节点到干扰节点的距离差异化竞争窗口,以此优化网络性能。仿真结果表明,DCW-MAC协议对比原CW-MAC协议有更高的吞吐量和更低的端到端时延。本文提出了一种基于轮询调度的优化的邻居发现方法,减少了需要发送邻居发现包的数目和总传输字节数,从而减少了邻居发现时间和降低了发现包碰撞概率。最后,本文在NI-USB62ll数据采集卡、BII-5000功放及水听器组成的硬件设备上完成了MAC协议测试平台框架及改进的DCW-MAC协议的具体设计与编程实现,并使用4个已有节点,在实验室水池中进行了组网测试。
【关键词】：水声传感器网络 媒体接入控制 差异化竞争窗口 NS3
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.3;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究意义10
• 1.3 研究现状及发展动态10-12
• 1.4 论文主要内容和组织结构12-14
• 第二章 水声传感器网络及MAC协议介绍14-27
• 2.1 水声传感器网络架构14-18
• 2.1.1 水声传感器网络的协议栈架构14-16
• 2.1.2 水声传感器网络的拓扑结构16-18
• 2.2 水声传感器网络MAC设计目标与挑战18-21
• 2.2.1 水声信道特点18-19
• 2.2.2 MAC协议设计性能指标与主要挑战19-21
• 2.3 水声传感器网络MAC协议分类介绍21-26
• 2.3.1 基于固定分配的MAC协议21-23
• 2.3.2 基于竞争的MAC协议23-25
• 2.3.3 混合MAC协议25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 基于CSMA水声MAC协议的研究与改进27-48
• 3.1 基于CSMA的CW-MAC协议27-32
• 3.1.1 准静态水声传感器网络场景分析27-28
• 3.1.2 CW-MAC协议工作原理介绍28-29
• 3.1.3 CW-MAC协议中竞争窗口对性能的影响研究29-32
• 3.2 CW-MAC协议最优竞争窗口动态搜索32-36
• 3.3 差异化竞争窗口策略(DCW-MAC协议)36-42
• 3.3.1 按到信宿节点距离差异化36-39
• 3.3.2 按到干扰节点距离差异化39-42
• 3.4 DCW-MAC使用的优化邻居发现协议42-47
• 3.4.1 节点间传播时延计算42-44
• 3.4.2 广播式邻居发现协议优化44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 基于差异化竞争窗口的DCW-MAC协议仿真48-57
• 4.1 NS3仿真工具介绍48-49
• 4.2 协议仿真场景与性能指标49-50
• 4.3 协议仿真对比50-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 水声MAC协议测试平台编程实现57-69
• 5.1 系统设计理念与整体架构57-58
• 5.2 各模块具体实现58-65
• 5.2.1 节点设备模块及开发平台选用58-59
• 5.2.2 通用MAC框架具体实现59-62
• 5.2.3 同步记录系统具体实现62-64
• 5.2.4 DCW-MAC协议具体实现64-65
• 5.3 收发工作流程65-66
• 5.4 系统组网测试66-68
• 5.5 本章小结68-69
• 总结与展望69-71
• 本文研究工作总结69-70
• 研究展望70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• 附件77

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本文编号：702911