本文關(guān)鍵詞：水聲通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：水聲通信網(wǎng)絡(luò)是獲取海洋環(huán)境參數(shù)并將這些數(shù)據(jù)及時(shí)、有效地傳遞給處理中心的有效手段。水聲信道可用帶寬窄、載波傳播速率低、水下設(shè)備能量有限且更換不便,需要通過(guò)有效的MAC協(xié)議來(lái)進(jìn)行信道資源的合理分配,從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。但由于水聲信道的特殊性,無(wú)線電中許多成熟的協(xié)議無(wú)法直接應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò),并且,目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果大多為理論研究和軟件仿真,真正能應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的較少,僅是一些最基礎(chǔ)的ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議。本文主要從工程可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議展開理論與實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了幾種比ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議效率更高、能量更省的MAC協(xié)議,并進(jìn)行了湖試和海試。針對(duì)傳統(tǒng)單信道條件下很難解決的隱藏終端與暴露終端問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于全雙工通信的雙信道MAC協(xié)議(FD-MAC)。將水聲信道虛擬地分成控制信道和數(shù)據(jù)信道,分配不同的頻帶和調(diào)制/解調(diào)方式分別進(jìn)行控制報(bào)文與數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸。在這種機(jī)制下,節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文的同時(shí)可以解調(diào)來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的控制報(bào)文并做出回應(yīng),從而有效解決隱藏終端與暴露終端問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)FD-MAC協(xié)議的關(guān)鍵是要有能夠進(jìn)行全雙工通信的modem,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有全雙工通信能力的modem樣機(jī),通過(guò)雙模通信、聲障板等技術(shù)手段抑制本地發(fā)射干擾,采用矢量傳感器來(lái)提高接收增益。最后在黃海進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),對(duì)modem的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全雙工通信能力、3用戶全雙工通信能力、隱藏終端和暴露終端的解決能力進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該modem具有良好的全雙工通信能力,基于全雙工通信機(jī)制的FD-MAC協(xié)議具有工程可實(shí)現(xiàn)性,并且能有效解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題。針對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)鐘同步困難、周期廣播同步信號(hào)效率低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于相對(duì)時(shí)鐘的TDMA協(xié)議(RC-TDMA)。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)與子節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)間表安排,各子節(jié)點(diǎn)將時(shí)間表映射到本地時(shí)間軸上后根據(jù)本地時(shí)鐘進(jìn)行工作,不需要全網(wǎng)時(shí)鐘的同步,并在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成時(shí)鐘漂移的修正。對(duì)主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)能量消耗不對(duì)稱、新節(jié)點(diǎn)加入和舊節(jié)點(diǎn)消失、子節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙需求不同等問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。理論分析與仿真結(jié)果表明,RC-TDMA協(xié)議的性能受網(wǎng)絡(luò)周期和保護(hù)間隔影響,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載選擇合適的網(wǎng)絡(luò)周期和保護(hù)間隔是提高性能的關(guān)鍵。水池實(shí)驗(yàn)和湖上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,RC-TDMA協(xié)議簡(jiǎn)化了 TDMA協(xié)議的工程實(shí)現(xiàn),并且具有比ALOHA和CSMA更好的性能,特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較大的情況下,這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。針對(duì)區(qū)域性水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)了一種無(wú)沖突的MAC協(xié)議,通過(guò)自頂向下的模式,由數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)關(guān)或者AUV)主動(dòng)向子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù),分配臨時(shí)的信道獨(dú)享,避免競(jìng)爭(zhēng)信道產(chǎn)生的沖突和往復(fù)握手帶來(lái)的延遲。由此帶來(lái)的好處是在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下,可以獲得穩(wěn)定的吞吐量,且端到端時(shí)延和能耗不受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。兩種ACK模式的設(shè)計(jì),在數(shù)據(jù)檢驗(yàn)正確的情況下可以減少一個(gè)傳播時(shí)延。此協(xié)議特別適用于由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(AUV)進(jìn)行水下傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集的應(yīng)用場(chǎng)合。在千島湖進(jìn)行了小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),4個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)分別布放于不同水域的不同深度,攜帶CTD設(shè)置進(jìn)行水溫監(jiān)測(cè),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)載數(shù)據(jù)的收集。從連續(xù)4天的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看,CF-MAC協(xié)議的運(yùn)行狀況良好,傳感器數(shù)據(jù)能及時(shí)有效地傳輸?shù)娇刂浦行摹＠盟曅诺赖拈L(zhǎng)傳播時(shí)延和節(jié)點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種基于距離感知的CSMA協(xié)議(DA-CSMA)。DA-CSMA協(xié)議的基本思想是允許“插隊(duì)”。也即數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)在等待數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),可以回應(yīng)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求,在時(shí)間允許的情況下,可以讓后預(yù)約的發(fā)送節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DA-CSMA協(xié)議一方面可以避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)由于沒(méi)有收到CTS信號(hào)而重復(fù)發(fā)送RTS信號(hào)造成數(shù)據(jù)的沖突;另一方面進(jìn)行時(shí)間上的復(fù)用,可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。DA-CSMA協(xié)議可以工作在半雙工的條件下,獲得理論上與FD-MAC協(xié)議工作在全雙工條件下相似的性能,從硬件上降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模擬器,對(duì)DA-CSMA協(xié)議進(jìn)行半物理仿真,通過(guò)人為控制節(jié)點(diǎn)間距離的方式,驗(yàn)證了協(xié)議的工作流程。從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看,在節(jié)點(diǎn)間距離差異較大的網(wǎng)絡(luò)中,DA-CSMA協(xié)議“插隊(duì)”成功的機(jī)率較大,可以獲得較好的性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN929.3

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本文編號(hào)：1398752