水声传感网络的媒体接入控制技术

发布时间：2017-09-03 00:01

  本文关键词：水声传感网络的媒体接入控制技术

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【摘要】：水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network, UWASN)是当前海洋开发与通信领域的研究热点,组网技术是水声传感网络的重要研究方向之一。水声传感网络采用声信号为传播媒介,由于水声信道的带宽有限、传播时延长、信道变化快、多径扩展严重、噪声复杂等因素,使水声通信时存在高误码率与不可靠性,从而使人们在开发与设计水声传感网络时面临各种挑战。如何克服这些不利因素的影响,设计合理有效的水声传感网络组网技术与方法,对人类合理开发利用海洋资源、保护国家海洋安全,具有十分重要的意义。世界各国对水声传感网络的研究工作尚处于起步阶段,研究水声传感网络组网技术,对设计与部署水声传感网络非常重要。论文以水声传感网络的媒体接入控制(Media Access Control, MAC)技术展开研究工作,分别从水声传感网络的特点与MAC协议设计的具体要求,针对水声传感网络数据传输漏斗效应、水声通信调制解调器长前导码与分布式测流应用特定需求等问题,分别提出了相应的MAC协议,并进行了性能分析与仿真验证,得到了一些有意义的研究成果。论文主要研究成果如下：(1)针对以汇聚节点为中心水声传感网络的漏斗效应瓶颈位置的高数据冲突问题,提出了基于竞争的汇聚型水声MAC (Funneling MAC for UWASN, FMACU)协议。针对瓶颈位置中汇聚节点收到多个邻居节点预约信道的情况,FMACU协议使汇聚节点合理安排多个邻居节点的数据发送顺序,实现在一次交互过程中接收多个邻居节点的数据,降低网络瓶颈位置的信道预约开销,提高数据传输效率。仿真结果表明,FMACU协议可提高网络吞吐量,降低丢包率、控制包开销和传输延时。(2)针对以汇聚节点为中心水声传感网络的数据密集区域的高数据冲突问题,采用码分复用(Code Division Multiple Access, CDMA)技术,提出了基于路径扩频的混合MAC (Path-Oriented Code Assignment CDMA-based MAC,POCA-CDMA-MAC)协议。在POCA-CDMA-MAC协议中,根据网络拓扑结构,数据密集区域节点建立传输路径,各路径中的节点按先后顺序与逐跳转发的方式将数据传输至汇聚节点,汇聚节点为每条路径分配正交扩频码避免路径之间的数据冲突。该协议多条路径逐跳数据发送方式和不同路径正交数据传输特点,避免了数据的冲突,提高了数据传输效率。性能分析和仿真表明,POCA-CDMA-MAC协议可提高网络吞吐量,降低传输延时。(3)考虑水声传感网络的调制解调器长前导码与水声信道长传播时延等特点,提出了基于预约的混合(Hybrid Reservation-based MAC, HRMAC)协议。在HRMAC协议中,多个发送节点通过控制包预约信道后,按一定顺序以循环接龙的方式发送数据,降低了预约开销,从而提升了网络性能。理论分析与仿真结果表明,HRMAC协议降低了协议开销、丢包率和能量消耗,提高了网络的吞吐量。(4)针对邻居节点间交换数据的需求与水声信道长传播时延的特性,提出了基于双向传输的时分复用多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)协议,即双向TDMA协议,分析了协议性能,并给出了协议的适用条件。双向TDMA协议在同一时隙内收发节点完成数据交换,从而提高了信道利用率。针对基于水声传感网络的分布式流场测量的应用场景,将测量过程分成节点测量信号广播、邻居节点间信息交换与测量数据收集三个阶段,并根据不同阶段数据收发时延与传输效率等要求,提出了面向节点测量信号广播的时隙调度方法、面向节点间信息交换的时隙调度方法与测量数据收集的徽时隙分配算法,并进行性能仿真验证。仿真结果表明,所提出的时隙调度方法,有效缩短了完成一次测量所需的时间。
【关键词】：水声传感网络 媒体接入控制 长传播时延 汇聚型水声MAC协议 混合预约MAC协议 时隙调度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.3;TP212.9
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 缩写说明16-18
• 第1章 绪论18-41
• 1.1 课题背景及意义18-19
• 1.2 水声传感网络发展和特点19-26
• 1.2.1 水声传感网络发展过程19-20
• 1.2.2 水声传感网络特点20-22
• 1.2.3 水声传感网络体系结构22
• 1.2.4 水声传感网络协议体系结构22-24
• 1.2.5 水声传感网络组网相关技术24-26
• 1.3 水声传感网络MAC协议研究现状26-36
• 1.3.1 非竞争MAC协议27-28
• 1.3.2 竞争MAC协议28-34
• 1.3.3 混合性MAC协议34
• 1.3.4 水声传感网络MAC协议的主要问题34-36
• 1.4 论文工作与贡献36-39
• 1.4.1 研究内容36-37
• 1.4.2 研究成果37-39
• 1.5 论文篇章结构39-41
• 第2章 基于漏斗效应的水声传感网络MAC协议41-71
• 2.1 水声传感网络MAC协议中的漏斗效应41-46
• 2.2 漏斗效应对现有MAC协议的性能影响46-50
• 2.2.1 基于RTS/CTS机制的MAC协议46-48
• 2.2.2 基于载波侦听的MAC协议48-50
• 2.3 针对漏斗效应瓶颈位置的MAC协议50-55
• 2.3.1 改进三次握手交互过程50-52
• 2.3.2 多个发送节点的时隙分配方法和冲突解决方法52-53
• 2.3.3 协议的公平性53
• 2.3.4 FMACU协议节点状态转移图53-55
• 2.4 针对漏斗效应数据密集区域的MAC协议55-62
• 2.4.1 协议基本原理56-57
• 2.4.2 基于路径的扩频码分配57-59
• 2.4.3 首节点的发送时间确定59
• 2.4.4 性能分析59-62
• 2.5 仿真结果与分析62-69
• 2.6 本章小结69-71
• 第3章 基于轮询调度与预约的混合MAC协议71-93
• 3.1 水声传感网络中长传播时延和长前导码问题71-73
• 3.2 基于轮询调度与预约的混合MAC协议73-77
• 3.2.1 NOTICE的冲突解决机制74-75
• 3.2.2 数据包发送过程75-77
• 3.3 HRMAC协议性能分析77-84
• 3.4 仿真结果与分析84-90
• 3.5 协议评价90-92
• 3.6 本章小结92-93
• 第4章 面向分布式测流的水声传感网络媒体接入控制技术93-120
• 4.1 系统模型和问题描述93-98
• 4.2 双向TDMA协议98-102
• 4.2.1 双向TDMA协议原理98-99
• 4.2.2 双向TDMA协议性能分析99-100
• 4.2.3 双向TDMA协议仿真100-102
• 4.3 面向节点数据广播的MAC协议102-109
• 4.3.1 面向节点数据广播的时隙分配方法103-106
• 4.3.2 时隙间隔优化调度实例106-107
• 4.3.3 时隙间隔优化调度结果107-109
• 4.4 面向邻居节点间信息交换的MAC协议109-114
• 4.4.1 面向邻居节点间信息交换的双向边调度时隙分配方法109-110
• 4.4.2 性能仿真结果与分析110-114
• 4.5 面向测量数据收集的MAC协议114-117
• 4.5.1 面向测量数据收集的微时隙调度方法115-116
• 4.5.2 性能仿真分析116-117
• 4.6 分布式测流三个阶段MAC协议性能仿真117-119
• 4.7 本章小结119-120
• 第5章 总结与展望120-123
• 5.1 工作总结120-121
• 5.2 工作展望121-123
• 参考文献123-134
• 个人简历及攻读博士期间的主要研究成果134-135

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