水下傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、21世紀(jì)世界各國(guó)都特別重視對(duì)海洋資源的開發(fā)利用,我國(guó)在本世紀(jì)制訂了西部開發(fā)與海洋資源開發(fā)齊頭并進(jìn)的戰(zhàn)略。因此,利用現(xiàn)代科技手段合理高效地監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境是我國(guó)實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)之路的必要前提。水下傳感器通信網(wǎng)絡(luò)在近年來(lái)也逐漸成為了各國(guó)研究的重要領(lǐng)域。利用水下聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)具有重大意義和廣闊的前景。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了它在監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境方面具有優(yōu)勢(shì),其高集成性、實(shí)時(shí)性、自組織、低功耗、價(jià)格低廉等特點(diǎn)使得它能夠大規(guī)模部署于海洋水域

2、中,便于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)。本文依托于國(guó)家863課題項(xiàng)目《水下傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)的研究》,主要對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。
　　 目前,對(duì)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要針對(duì)物理層、MAC協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。本文主要介紹了水聲環(huán)境以及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),分析了MAC協(xié)議的研究現(xiàn)狀。首先介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的兩大類,包括基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議,基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議主要介紹

3、了ALOHA協(xié)議、802.11無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用的MAC協(xié)議、S-MAC協(xié)議以及T-MAC協(xié)議,這些基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議通信都需要較多的控制信息,在誤碼率較高的水聲環(huán)境中,大量的控制信息容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)緩慢、通信效率低下等問題,不太適宜應(yīng)用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)?；谡{(diào)度類型的MAC協(xié)議包括TDMA時(shí)分復(fù)用、FDMA頻分復(fù)用、CDMA碼分多址等復(fù)用技術(shù),其中TDMA的MAC協(xié)議因其不需要很多控制信息,在保持時(shí)鐘同步的情況下可以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間無(wú)沖突傳輸,較

4、適用于水下通信環(huán)境。
　　 本文分析了影響水聲通信質(zhì)量的若干因素,并針對(duì)水聲通信特點(diǎn)提出了一種基于TDMA的MAC協(xié)議。在該協(xié)議中傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)所在位置劃分時(shí)間片區(qū)域,給不同區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間片。匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間片信息通過(guò)洪泛廣播的方式通知網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)確定自己的時(shí)間片之后,只在本時(shí)間片內(nèi)進(jìn)行工作,在其它時(shí)間片內(nèi)進(jìn)行休眠,從而節(jié)省了能耗。由于基于TDMA的MAC協(xié)議需要各節(jié)

5、點(diǎn)間保持時(shí)鐘同步,本文還提出了一種應(yīng)用于水下聲學(xué)通信的時(shí)鐘同步策略,傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)設(shè)定同步周期,在每個(gè)周期開始時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)起同步,每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行三次信息傳遞即可完成一次同步過(guò)程。
　　 為測(cè)試本文提出MAC協(xié)議的性能,組建了實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)測(cè)試平臺(tái),將MAC協(xié)議搭載到實(shí)驗(yàn)電路板上,再將電路板通過(guò)串口連接PC機(jī),各PC機(jī)組成局域網(wǎng)。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)模擬水下通信環(huán)境的軟件將局域網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)板組建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而對(duì)本協(xié)議的基本性能進(jìn)行測(cè)