基于竞争的水下光声融合MAC协议设计与研究

发布时间：2020-05-17 10:23

【摘要】：海洋强国竞争、战略资源竞争和蓝色圈地是当今海洋科技发展的国际大背景。水下传感器网络在海洋数据收集,污染监测,近海勘探,防灾,辅助导航和战术监视等应用中发挥重要作用。但是目前水下声通信无线传感器网络,由于声传输速率的制约无法解决在海洋探测中实时视频和图像高速无线传输难题。结合水下光通信高速率传输的特点,课题组提出水下光声融合的无线传感网。本文针对光声融合无线传感网的媒体访问控制协议展开研究,具体包括以下方面:首先,针对水下无线传感器网络MAC协议现状,提出了一种新颖的基于竞争的光声融合无线传感器网络MAC协议(optical-acoustic contention-based media access control protocol,简称OA-CMAC协议)。协议将水下光通信与声通信相结合,利用低速率的声通信传输温度、盐度等小数据,利用高速率的光通信传输图像、视频等大数据,提高数据传输速率,打破水下图像、视频等大数据信息传输难的问题,同时,协议考虑了节点能耗问题,并且通过添加能量阈值模块提高节点生存周期。其次,针对提出的基于竞争的光声融合无线传感器网络OA-CMAC协议在节点竞争过程中,会有节点一直竞争不到信道的情况,提出一种考虑节点公平性的基于CSMATDMA混合的光声融合无线传感器网络OA-HMAC协议。协议将水下固定节点分为两种,一种为监测重要数据或者在竞争过程中不占优势的重要节点,另一种为普通节点。协议同样也是基于光声融合通信进行数据传输,但是在数据发送阶段根据光握手成功节点的种类,将帧结构分为三种情况,尽量满足节点数据发送请求,确保数据均能发送。在仿真过程中,评价两种协议的公平性指标,充分发现OA-HMAC比OA-CMAC协议更加公平。最后,利用OMNeT++仿真软件实现了所提出的水下光声融合无线传感网络MAC层协议的性能评估。仿真结果表明,吞吐量仿真中,当光握手成功率大于50%时,与基于时隙分配的O-A handshake协议相比,OA-CMAC协议吞吐量提高一倍,OA-HMAC协议吞吐量低于OA-CMAC协议。在能耗仿真中,与没有能量阈值的OA-UWSN节点相比,OA-UWSN节点的寿命增加了14%,这比光声同时握手的OAs-CMAC的寿命长30%。在节点公平性比较上,OA-HMAC协议比OA-CMAC协议公平性指标提高0.12。采用OA-CMAC协议可实现更高的吞吐量和更低的节点能耗,适用于高负载大容量数据的水下无线通信环境。
【图文】：

方框图,方框图,实时传输,流程

图像等信息的实时传输[16]。水下声通信系统的具体流程如图1-1所示。图 1-1 水声通信系统方框图Fig. 1-1 Acoustic communication system block diagram

光波,潜艇,水下目标探测,水下设备

海水对 450～550nm 波段内蓝绿光衰减比对其他光波段衰减要小很多（如图1-2 所示）[20]。1966 年，Gilbert 等人通过实验[21]，从而证实了海洋中也存在一个类似于大气中的透光窗口，这一重要物理发现为解决长期水下目标探测、通信等关键难题奠定了坚实的光学基础。在 1976 年，Karp 进行了水下设备与岸上设备之间光通信传播估计，指出了未来光通信研究领域[22]。在 1977 年，加利福尼亚大学的 Lawrence Livermore 实验室提出了一种从陆上到潜艇的光通信系统[23]。之后，大约在 1980 年、1990 年左右，，美国和俄罗斯相继进行了多次飞机到潜艇、卫星到潜艇的光通信实验[24]。之后超过十年时间里
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P715;TP212.9;TN929.3

【相似文献】