水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制技術(shù).pdf

1、水聲傳感網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Sensor Network，UWASN)是當(dāng)前海洋開發(fā)與通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，組網(wǎng)技術(shù)是水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向之一。水聲傳感網(wǎng)絡(luò)采用聲信號(hào)為傳播媒介，由于水聲信道的帶寬有限、傳播時(shí)延長(zhǎng)、信道變化快、多徑擴(kuò)展嚴(yán)重、噪聲復(fù)雜等因素，使水聲通信時(shí)存在高誤碼率與不可靠性，從而使人們?cè)陂_發(fā)與設(shè)計(jì)水聲傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)面臨各種挑戰(zhàn)。如何克服這些不利因素的影響，設(shè)計(jì)合理有效的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)與方法

2、，對(duì)人類合理開發(fā)利用海洋資源、保護(hù)國(guó)家海洋安全，具有十分重要的意義。
　　世界各國(guó)對(duì)水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的研究工作尚處于起步階段，研究水聲傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)與部署水聲傳感網(wǎng)絡(luò)非常重要。論文以水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MediaAccess Control，MAC)技術(shù)展開研究工作，分別從水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的具體要求，針對(duì)水聲傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸漏斗效應(yīng)、水聲通信調(diào)制解調(diào)器長(zhǎng)前導(dǎo)碼與分布式測(cè)流應(yīng)用特定需求等問題，分別提出

3、了相應(yīng)的MAC協(xié)議，并進(jìn)行了性能分析與仿真驗(yàn)證，得到了一些有意義的研究成果。
　　論文主要研究成果如下：
　　(1)針對(duì)以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的漏斗效應(yīng)瓶頸位置的高數(shù)據(jù)沖突問題，提出了基于競(jìng)爭(zhēng)的匯聚型水聲MAC(Funneling MAC for UWASN，F(xiàn)MACU)協(xié)議。針對(duì)瓶頸位置中匯聚節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道的情況，F(xiàn)MACU協(xié)議使匯聚節(jié)點(diǎn)合理安排多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送順序，實(shí)現(xiàn)在一次交互過程中接收多個(gè)鄰

4、居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)瓶頸位置的信道預(yù)約開銷，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)MACU協(xié)議可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低丟包率、控制包開銷和傳輸延時(shí)。
　　(2)針對(duì)以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)密集區(qū)域的高數(shù)據(jù)沖突問題，采用碼分復(fù)用(Code Division Multiple Access，CDMA)技術(shù)，提出了基于路徑擴(kuò)頻的混合MAC(Path-Oriented Code Assignment CDMA-based MAC,P

5、OCA-CDMA-MAC)協(xié)議。在POCA-CDMA-MAC協(xié)議中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)密集區(qū)域節(jié)點(diǎn)建立傳輸路徑，各路徑中的節(jié)點(diǎn)按先后順序與逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)為每條路徑分配正交擴(kuò)頻碼避免路徑之間的數(shù)據(jù)沖突。該協(xié)議多條路徑逐跳數(shù)據(jù)發(fā)送方式和不同路徑正交數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，避免了數(shù)據(jù)的沖突，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。性能分析和仿真表明，POCA-CDMA-MAC協(xié)議可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低傳輸延時(shí)。
　　(3)考慮水聲傳

6、感網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器長(zhǎng)前導(dǎo)碼與水聲信道長(zhǎng)傳播時(shí)延等特點(diǎn)，提出了基于預(yù)約的混合(Hybrid Reservation-based MAC，HRMAC)協(xié)議。在HRMAC協(xié)議中，多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過控制包預(yù)約信道后，按一定順序以循環(huán)接龍的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，降低了預(yù)約開銷，從而提升了網(wǎng)絡(luò)性能。理論分析與仿真結(jié)果表明，HRMAC協(xié)議降低了協(xié)議開銷、丟包率和能量消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
　　(4)針對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)的需求與水聲信道長(zhǎng)傳播時(shí)延的特

7、性，提出了基于雙向傳輸?shù)臅r(shí)分復(fù)用多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)協(xié)議，即雙向TDMA協(xié)議，分析了協(xié)議性能，并給出了協(xié)議的適用條件。雙向TDMA協(xié)議在同一時(shí)隙內(nèi)收發(fā)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換，從而提高了信道利用率。針對(duì)基于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式流場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景，將測(cè)量過程分成節(jié)點(diǎn)測(cè)量信號(hào)廣播、鄰居節(jié)點(diǎn)間信息交換與測(cè)量數(shù)據(jù)收集三個(gè)階段，并根據(jù)不同階段數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)延與傳輸效率等要求，提出了面向節(jié)點(diǎn)測(cè)量信號(hào)廣