水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)訪問控制協(xié)議研究.pdf

1、水聲通信網(wǎng)絡(luò)越來越廣泛地應(yīng)用于軍事、石油工業(yè)、科研數(shù)據(jù)采集、新能源開發(fā)等領(lǐng)域，由于水聲通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要地位，因此對水聲通信的研究正成為通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。與陸地?zé)o線通信系統(tǒng)使用無線電波有所不同，水聲通信網(wǎng)絡(luò)依靠水聲進(jìn)行通信，這使得針對水聲通信網(wǎng)絡(luò)的物理層、數(shù)據(jù)連接層和電池能量設(shè)計存在諸多困難，具體如下:
　　水聲信道的長傳播延遲和有限的帶寬是MAC協(xié)議設(shè)計的主要限制因素，因此需要設(shè)計專門的適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議

2、。
　　水聲信道的特性會使得水下信道的性能下降，只有當(dāng)我們對水聲信道的特性有了足夠的了解，我們才能夠設(shè)計出與實(shí)際海底環(huán)境相匹配的水聲通信系統(tǒng)，進(jìn)而得到更好的通信性能。
　　水下節(jié)點(diǎn)攜帶的電池能量通常是非常有限的，而通過替換電池來補(bǔ)充水下節(jié)點(diǎn)的電池能量是非常困難的。因此，如何有效有效地提高水下節(jié)點(diǎn)的能量使用效率，是水聲通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。
　　針對上述問題，本論文研究了水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的以下幾個方面的問題:
　　(1

3、)本文利用 OPNET仿真工具中的Propagation-Delay-Stage、Receiver-Power-Stage和Background-Noise-Stage函數(shù)分別仿真實(shí)現(xiàn)MacKenzie水聲傳輸速度公式、損耗傳輸模型（包括Thorp模型、Schulkin&Marsh模型、Francois&Garrison模型）、水聲噪聲（包括紊流、船運(yùn)、風(fēng)波和熱噪聲四個噪聲源），通過這些模型的仿真來模擬和分析水聲通信網(wǎng)絡(luò)的各種特性。根據(jù)

4、水聲信道的仿真結(jié)果，以MACAW協(xié)議為基礎(chǔ)建立最佳信道模型來仿真水聲通信網(wǎng)絡(luò)。
　　(2)在水聲信道環(huán)境下對P-Aloha協(xié)議，CSMA/CA協(xié)議和MACAW協(xié)議進(jìn)行了仿真，并且比較了這三種協(xié)議的性能。
　　(3)基于MAC協(xié)議中的FAMA協(xié)議，提出了一種適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的時隙FAMA-CTS協(xié)議，該協(xié)議為CTS包分配了單獨(dú)的時隙。同時，還提出了一種能量優(yōu)化方法來傳輸數(shù)據(jù)。該算法不僅能夠增加水聲通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，減少數(shù)據(jù)包

5、的碰撞而且能夠降低能量消耗，并且該算法能夠有效的將載波偵聽與發(fā)射和接收數(shù)據(jù)前的協(xié)商結(jié)合在一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與時隙MACA協(xié)議和FAMA-NTR協(xié)議相比，本文提出的算法更有效。
　　(4)由于水聲信道的傳播時延長、可用帶寬有限，使得設(shè)計適合于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議面臨諸多困難。然而，水聲信道的長傳播時延特性允許在水聲信道中同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)包，利用該特性，基于MACA協(xié)議，本文提出了一種適用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議MACA

6、-C協(xié)議。通過將發(fā)射數(shù)據(jù)包和控制包結(jié)合在一起，本文提出的協(xié)議能夠克服水聲信道長傳輸時延的問題。仿真結(jié)果表明，MACA-C協(xié)議能夠提高信道使用率，獲得較高且穩(wěn)定的吞吐量，降低端到端的延遲，并且能夠保持較低的碰撞率。
　　(5)如何高效地使用水聲傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是水聲通信網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)DVS節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種DVS技術(shù)與DPM技術(shù)相結(jié)合的DVS-DPM節(jié)能技術(shù)，用以降低水聲傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。最后通過實(shí)驗(yàn)對該方案