【摘要】：海洋強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)、戰(zhàn)略資源競(jìng)爭(zhēng)和藍(lán)色圈地是當(dāng)今海洋科技發(fā)展的國(guó)際大背景。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋數(shù)據(jù)收集,污染監(jiān)測(cè),近海勘探,防災(zāi),輔助導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。但是目前水下聲通信無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由于聲傳輸速率的制約無法解決在海洋探測(cè)中實(shí)時(shí)視頻和圖像高速無線傳輸難題。結(jié)合水下光通信高速率傳輸?shù)奶攸c(diǎn),課題組提出水下光聲融合的無線傳感網(wǎng)。本文針對(duì)光聲融合無線傳感網(wǎng)的媒體訪問控制協(xié)議展開研究,具體包括以下方面:首先,針對(duì)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議現(xiàn)狀,提出了一種新穎的基于競(jìng)爭(zhēng)的光聲融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議(optical-acoustic contention-based media access control protocol,簡(jiǎn)稱OA-CMAC協(xié)議)。協(xié)議將水下光通信與聲通信相結(jié)合,利用低速率的聲通信傳輸溫度、鹽度等小數(shù)據(jù),利用高速率的光通信傳輸圖像、視頻等大數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)傳輸速率,打破水下圖像、視頻等大數(shù)據(jù)信息傳輸難的問題,同時(shí),協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)能耗問題,并且通過添加能量閾值模塊提高節(jié)點(diǎn)生存周期。其次,針對(duì)提出的基于競(jìng)爭(zhēng)的光聲融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)OA-CMAC協(xié)議在節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)過程中,會(huì)有節(jié)點(diǎn)一直競(jìng)爭(zhēng)不到信道的情況,提出一種考慮節(jié)點(diǎn)公平性的基于CSMATDMA混合的光聲融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)OA-HMAC協(xié)議。協(xié)議將水下固定節(jié)點(diǎn)分為兩種,一種為監(jiān)測(cè)重要數(shù)據(jù)或者在競(jìng)爭(zhēng)過程中不占優(yōu)勢(shì)的重要節(jié)點(diǎn),另一種為普通節(jié)點(diǎn)。協(xié)議同樣也是基于光聲融合通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但是在數(shù)據(jù)發(fā)送階段根據(jù)光握手成功節(jié)點(diǎn)的種類,將幀結(jié)構(gòu)分為三種情況,盡量滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求,確保數(shù)據(jù)均能發(fā)送。在仿真過程中,評(píng)價(jià)兩種協(xié)議的公平性指標(biāo),充分發(fā)現(xiàn)OA-HMAC比OA-CMAC協(xié)議更加公平。最后,利用OMNeT++仿真軟件實(shí)現(xiàn)了所提出的水下光聲融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的性能評(píng)估。仿真結(jié)果表明,吞吐量仿真中,當(dāng)光握手成功率大于50%時(shí),與基于時(shí)隙分配的O-A handshake協(xié)議相比,OA-CMAC協(xié)議吞吐量提高一倍,OA-HMAC協(xié)議吞吐量低于OA-CMAC協(xié)議。在能耗仿真中,與沒有能量閾值的OA-UWSN節(jié)點(diǎn)相比,OA-UWSN節(jié)點(diǎn)的壽命增加了14%,這比光聲同時(shí)握手的OAs-CMAC的壽命長(zhǎng)30%。在節(jié)點(diǎn)公平性比較上,OA-HMAC協(xié)議比OA-CMAC協(xié)議公平性指標(biāo)提高0.12。采用OA-CMAC協(xié)議可實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量和更低的節(jié)點(diǎn)能耗,適用于高負(fù)載大容量數(shù)據(jù)的水下無線通信環(huán)境。
【圖文】：

圖像等信息的實(shí)時(shí)傳輸[16]。水下聲通信系統(tǒng)的具體流程如圖1-1所示。圖 1-1 水聲通信系統(tǒng)方框圖Fig. 1-1 Acoustic communication system block diagram

海水對(duì) 450～550nm 波段內(nèi)藍(lán)綠光衰減比對(duì)其他光波段衰減要小很多（如圖1-2 所示）[20]。1966 年，Gilbert 等人通過實(shí)驗(yàn)[21]，從而證實(shí)了海洋中也存在一個(gè)類似于大氣中的透光窗口，這一重要物理發(fā)現(xiàn)為解決長(zhǎng)期水下目標(biāo)探測(cè)、通信等關(guān)鍵難題奠定了堅(jiān)實(shí)的光學(xué)基礎(chǔ)。在 1976 年，Karp 進(jìn)行了水下設(shè)備與岸上設(shè)備之間光通信傳播估計(jì)，指出了未來光通信研究領(lǐng)域[22]。在 1977 年，加利福尼亞大學(xué)的 Lawrence Livermore 實(shí)驗(yàn)室提出了一種從陸上到潛艇的光通信系統(tǒng)[23]。之后，大約在 1980 年、1990 年左右，，美國(guó)和俄羅斯相繼進(jìn)行了多次飛機(jī)到潛艇、衛(wèi)星到潛艇的光通信實(shí)驗(yàn)[24]。之后超過十年時(shí)間里
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P715;TP212.9;TN929.3

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