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、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,需要通過有效的MAC協(xié)議來進(jìn)行信道資源的合理分配,從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。但由于水聲信道的特殊性,無線電中許多成熟的協(xié)議無法直接應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò),并且,目前國內(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)實驗的較少,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現(xiàn)性和實際應(yīng)用的角度出發(fā),對水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議展開理論與實驗研究,設(shè)計并實現(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。針對傳統(tǒng)單信道條件下很難解決的隱藏終端與暴露終端問題,設(shè)計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)行控制報文與數(shù)據(jù)報文的傳輸。在這種機制下,節(jié)點在收發(fā)數(shù)據(jù)報文的同時可以解調(diào)來自其它節(jié)點的控制報文并做出回應(yīng),從而有效解決隱藏終端與暴露終端問題。實現(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)計并實現(xiàn)了具有全雙工通信能力的modem樣機,通過雙模通信、聲障板等技術(shù)手段抑制本地發(fā)射干擾,采用矢量傳感器來提高接收增益。最后在黃海進(jìn)行了實驗,對modem的點對點全雙工通信能力、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)行了測試。實驗結(jié)果表明,該modem具有良好的全雙工通信能力,基于全雙工通信機制的FD-MAC協(xié)議具有工程可實現(xiàn)性,并且能有效解決隱藏終端和暴露終端問題。針對水聲通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步困難、周期廣播同步信號效率低的問題,設(shè)計了一種基于相對時鐘的TDMA協(xié)議(RC-TDMA)。主節(jié)點根據(jù)與子節(jié)點的傳播時延進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時間表安排,各子節(jié)點將時間表映射到本地時間軸上后根據(jù)本地時鐘進(jìn)行工作,不需要全網(wǎng)時鐘的同步,并在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成時鐘漂移的修正。對主節(jié)點與子節(jié)點能量消耗不對稱、新節(jié)點加入和舊節(jié)點消失、子節(jié)點工作時隙需求不同等問題提出了相應(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。水池實驗和湖上實驗結(jié)果表明,RC-TDMA協(xié)議簡化了 TDMA協(xié)議的工程實現(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)勢更加明顯。針對區(qū)域性水下觀測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景,設(shè)計了一種無沖突的MAC協(xié)議,通過自頂向下的模式,由數(shù)據(jù)收集節(jié)點(網(wǎng)關(guān)或者AUV)主動向子節(jié)點請求數(shù)據(jù),分配臨時的信道獨享,避免競爭信道產(chǎn)生的沖突和往復(fù)握手帶來的延遲。由此帶來的好處是在高網(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,在數(shù)據(jù)檢驗正確的情況下可以減少一個傳播時延。此協(xié)議特別適用于由移動節(jié)點(AUV)進(jìn)行水下傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)收集的應(yīng)用場合。在千島湖進(jìn)行了小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測實驗,4個觀測節(jié)點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,網(wǎng)關(guān)節(jié)點負(fù)載數(shù)據(jù)的收集。從連續(xù)4天的觀測結(jié)果來看,CF-MAC協(xié)議的運行狀況良好,傳感器數(shù)據(jù)能及時有效地傳輸?shù)娇刂浦行�。利用水聲信道的長傳播時延和節(jié)點位置的遠(yuǎn)近效應(yīng),設(shè)計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”。也即數(shù)據(jù)接收節(jié)點在等待數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時,可以回應(yīng)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送請求,在時間允許的情況下,可以讓后預(yù)約的發(fā)送節(jié)點先進(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)點由于沒有收到CTS信號而重復(fù)發(fā)送RTS信號造成數(shù)據(jù)的沖突;另一方面進(jìn)行時間上的復(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)議實現(xiàn)的復(fù)雜度。通過網(wǎng)絡(luò)模擬器,對DA-CSMA協(xié)議進(jìn)行半物理仿真,通過人為控制節(jié)點間距離的方式,驗證了協(xié)議的工作流程。從觀測結(jié)果來看,在節(jié)點間距離差異較大的網(wǎng)絡(luò)中,DA-CSMA協(xié)議“插隊”成功的機率較大,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.3

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