水聲傳感網(wǎng)絡的媒體接入控制技術.pdf

1、水聲傳感網(wǎng)絡(Underwater Acoustic Sensor Network，UWASN)是當前海洋開發(fā)與通信領域的研究熱點，組網(wǎng)技術是水聲傳感網(wǎng)絡的重要研究方向之一。水聲傳感網(wǎng)絡采用聲信號為傳播媒介，由于水聲信道的帶寬有限、傳播時延長、信道變化快、多徑擴展嚴重、噪聲復雜等因素，使水聲通信時存在高誤碼率與不可靠性，從而使人們在開發(fā)與設計水聲傳感網(wǎng)絡時面臨各種挑戰(zhàn)。如何克服這些不利因素的影響，設計合理有效的水聲傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)技術與方法

2、，對人類合理開發(fā)利用海洋資源、保護國家海洋安全，具有十分重要的意義。
　　世界各國對水聲傳感網(wǎng)絡的研究工作尚處于起步階段，研究水聲傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)技術，對設計與部署水聲傳感網(wǎng)絡非常重要。論文以水聲傳感網(wǎng)絡的媒體接入控制(MediaAccess Control，MAC)技術展開研究工作，分別從水聲傳感網(wǎng)絡的特點與MAC協(xié)議設計的具體要求，針對水聲傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸漏斗效應、水聲通信調制解調器長前導碼與分布式測流應用特定需求等問題，分別提出

3、了相應的MAC協(xié)議，并進行了性能分析與仿真驗證，得到了一些有意義的研究成果。
　　論文主要研究成果如下：
　　(1)針對以匯聚節(jié)點為中心水聲傳感網(wǎng)絡的漏斗效應瓶頸位置的高數(shù)據(jù)沖突問題，提出了基于競爭的匯聚型水聲MAC(Funneling MAC for UWASN，F(xiàn)MACU)協(xié)議。針對瓶頸位置中匯聚節(jié)點收到多個鄰居節(jié)點預約信道的情況，F(xiàn)MACU協(xié)議使匯聚節(jié)點合理安排多個鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送順序，實現(xiàn)在一次交互過程中接收多個鄰

4、居節(jié)點的數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡瓶頸位置的信道預約開銷，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。仿真結果表明，F(xiàn)MACU協(xié)議可提高網(wǎng)絡吞吐量，降低丟包率、控制包開銷和傳輸延時。
　　(2)針對以匯聚節(jié)點為中心水聲傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)密集區(qū)域的高數(shù)據(jù)沖突問題，采用碼分復用(Code Division Multiple Access，CDMA)技術，提出了基于路徑擴頻的混合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)絡拓撲結構，數(shù)據(jù)密集區(qū)域節(jié)點建立傳輸路徑，各路徑中的節(jié)點按先后順序與逐跳轉發(fā)的方式將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點為每條路徑分配正交擴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，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)絡吞吐量，降低傳輸延時。
　　(3)考慮水聲傳

6、感網(wǎng)絡的調制解調器長前導碼與水聲信道長傳播時延等特點，提出了基于預約的混合(Hybrid Reservation-based MAC，HRMAC)協(xié)議。在HRMAC協(xié)議中，多個發(fā)送節(jié)點通過控制包預約信道后，按一定順序以循環(huán)接龍的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，降低了預約開銷，從而提升了網(wǎng)絡性能。理論分析與仿真結果表明，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)絡的吞吐量。
　　(4)針對鄰居節(jié)點間交換數(shù)據(jù)的需求與水聲信道長傳播時延的特

7、性，提出了基于雙向傳輸?shù)臅r分復用多址接入(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)議在同一時隙內收發(fā)節(jié)點完成數(shù)據(jù)交換，從而提高了信道利用率。針對基于水聲傳感網(wǎng)絡的分布式流場測量的應用場景，將測量過程分成節(jié)點測量信號廣播、鄰居節(jié)點間信息交換與測量數(shù)據(jù)收集三個階段，并根據(jù)不同階段數(shù)據(jù)收發(fā)時延與傳輸效率等要求，提出了面向節(jié)點測量信號廣