水声传感器网络MAC协议的性能研究

发布时间：2017-06-20 12:13

  本文关键词：水声传感器网络MAC协议的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类资源需求的日益增加而陆地资源的逐渐减少,日臻完善的水声通信技术和传感器网络技术促使了可用于海洋勘探的水声传感器网络的发展,由于其在军事和民用上具有广阔的应用前景,水声传感器网络逐渐受到世界各国的关注。由于水下环境与陆地有较大差异,水声传感器网络不能直接使用现有的针对陆上传感器网络设计的协议。另外,水声信道的传输速率低、有效带宽窄、信号衰减大、多径干扰严重等特性,使得水声传感器网络的协议设计更加困难。本文首先研究了水声传感器网络的特点,然后依据水声信道的各种特性,在网络仿真软件NS2中添加了水声仿真平台。根据现有的竞争型MAC协议,编写了纯ALOHA、时隙ALOHA、非坚持CSMA和1-坚持CSMA等协议代码,比较了它们和IEEE 802.11在水声传感器网络中的平均传输时延、网络吞吐量和平均到达率等性能。结果表明竞争型MAC协议为了减少数据碰撞概率而采用的握手机制、物理载波侦听、虚拟载波侦听及数据发送时隙化等措施在路径传播时延较大的水下环境中性能较差,并且节点需要一直处于侦听状态,消耗能量较多,这对于能源受限的水声传感器网络并不适合。由于为水声传感器网络设计的MAC协议首要考虑的是节省能耗,本文接着研究了带有睡眠机制的S-MAC协议,并将其添加到水下环境中。分析了其在水下环境中存在的调度不同步和能量浪费等问题,并从节能方面出发,改进了广播调度接收机制,增加了睡眠,提出了更加节能的E-MAC协议。通过相同的仿真场景,对E-MAC与S-MAC进行仿真对比实验,比较了它们的网络生存时间、接收一定数目数据包的能量消耗以及数据包到达率。结果表明E-MAC协议发送单个数据包的能耗更少、网络生存时间更长且数据包到达率更高。
【关键词】：水声传感器网络 竞争型MAC协议 S-MAC
【学位授予单位】：大连海事大学
【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
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外的研究现状11-14
• 1.2.1 水声传感器网络的研究现状11-13
• 1.2.2 水声网络MAC协议的研究现状13-14
• 1.3 水声网络的研究方向14-15
• 1.4 本文研究的主要内容及安排15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第2章 水声传感器网络概述17-33
• 2.1 水声传感器网络的特点17-18
• 2.2 水声传感器网络拓扑分析及设计18-21
• 2.3 基于NS2的水声仿真平台搭建21-29
• 2.3.1 传播模块22-27
• 2.3.2 信道模块27-28
• 2.3.3 物理层模块28-29
• 2.4 仿真平台的验证29-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 水声传感器网络的MAC协议33-53
• 3.1 水声传感器网络MAC协议概述33
• 3.2 水声传感器网络MAC协议面临的挑战33-35
• 3.3 传感器网络MAC协议的分类35-38
• 3.3.1 固定分配类MAC协议35-36
• 3.3.2 随机接入类MAC协议36-37
• 3.3.3 针对水声网络的MAC协议37-38
• 3.4 竞争型MAC协议的代码添加38-41
• 3.5 基于竞争型MAC协议的网络仿真41-52
• 3.5.1 竞争型MAC协议的单跳网络仿真41-49
• 3.5.2 竞争型MAC协议的多跳网络仿真49-52
• 3.5.3 竞争型MAC协议的仿真实验总结52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 带有睡眠机制的S-MAC协议53-62
• 4.1 S-MAC协议的基本原理53-54
• 4.2 S-MAC采用的主要机制54-56
• 4.2.1 周期性侦听/睡眠54-55
• 4.2.2 串音避免与冲突减少55
• 4.2.3 长消息传递55-56
• 4.2.4 自适应侦听56
• 4.3 S-MAC协议的发展现状56-59
• 4.4 S-MAC用于水声网络时的问题59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 E-MAC协议的网络仿真及性能分析62-74
• 5.1 NS网络模拟的基本过程62-63
• 5.2 NS2的能耗模型63-64
• 5.3 水声网络S-MAC协议的改进64-67
• 5.4 E-MAC协议的理论分析67-69
• 5.5 E-MAC协议的性能仿真69-73
• 5.6 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 研究生履历81

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