水声传感器网络公平性MAC协议的研究

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水声传感器网络是一个新兴的研究领域,可应用于海洋数据搜集、污染监控、近海勘探、灾难预防以及分布式战术监测等,有着广阔的应用前景。介质访问控制(MediaAccess Control,MAC)协议作为其研究的一个重要方面,任务是公平合理地控制水声信道资源的分配,对水下网络流量和数据传输效率有直接影响。  水声通信的信道冲突具有时空不确定性的特点,带来了基于竞争水声MAC协议的不公平问题,引起信道资源使用的不公平性和数据传输的不公平性。因此,本论文根据水声通信的特点,针对链路竞争协议不公平问题从空间公平性和数据传输公平性两方面进行公平性MAC协议研究,研究工作概括如下:  1)提出了一个响应RTS(Request To Send)最先发送者的介质访问控制协议(RET-MAC)。PET-MAC协议采用自适应的RTS竞争阶段,根据RTS帧的发送时刻确定最先发送RTS帧的节点,以此来实现空间公平性,并添加CTS(Clear To Send)延迟阶段推迟发送CTS帧,以避免数据帧的冲突。此外,该协议还给出了CTS退避机制,动态延长CTS延迟阶段的时长,降低数据碰撞的概率,并且使用竞争退避机制调节节点竞争窗口的大小,降低网络拥塞和能耗。最后,从CTS最大退避概率和最大吞吐量对RET-MAC协议的性能进行了参数分析。  2)根据水声传播特性定义了时距比和公平性传输,并且提出了一种基于MAC层的公平数据传输策略(FDTS)。首先,FDTS通过队列管理机制依据时距比对数据帧进行队列管理,使得数据具有公平的传输次序。其次,FDTS使用传输控制机制依据各节点自身队列中最大时距比公平分配信道,从数据的角度实现信道竞争的公平性。最后,竞争等待依据队列中数据帧待发送的个数动态调节竞争窗口大小,用于减少数据帧或控制帧之间的碰撞概率,提高数据传输的成功率,降低网络能耗。  最后,本文在康涅狄格大学水下传感器网络实验室基于NS-2开发的Aqua-Sim模拟器中,对所提出的RET-MAC协议和FDTS策略进行了仿真实现,并把仿真结果与现有方案的研究成果进行了比较与分析,协议和策略在取得较好公平性的同时,也有效地提高了吞吐量、时延、能耗等其他网络性能指标。
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