一种多跳水下传感器网络的多流双向传输MAC协议

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近年来,水下传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Network,UWSN)在各种应用中的潜在用途使得其逐渐受到研究人员的重视。水下网络的通信与使用无线电波的地面网络不同,其主要依赖于声波。长的传播延迟和有限的带宽等一系列难题令水下媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议在设计中面临了巨大的挑战。对于基于随机访问类型的MAC协议,最初为无线电网络设计的ALOHA协议是最基本的,也尝试在轻负载的条件下应用于水下。但由于缺少防冲突机制,会产生大量碰撞,而水下由于环境特殊数据重传的代价是非常高的。这些年为了使水下网络获得更好的性能,很多基于随机访问的MAC协议为了水下网络而被提出,例如UWAN-MAC[22],ALOHA-CA和ALOHA-AN[21]考虑长传播延迟和较短的控制数据包来缓解冲突,但只能在单跳网络场景中工作。为了针对多跳网络提出有效的MAC协议,我们对基于握手的MAC协议进行了研究。已经在地面无线电信道中广泛使用的基于握手的MAC协议在水下环境中是不合适的,因为它们是设计用于支持高数据速率且传播延迟可忽略不计,而水声网络中握手过程中交换的控制数据包涉及较大的延迟。此外,在传统的水下多跳网络中以逐跳握手方式进行中继时,端到端延迟会大大增加。因此本文提出了一个适用于多跳的水声传感器网络的MAC协议称为多流双向传输MAC协议。该协议在多跳网络中实现多个数据流从发送节点同时向不同目的节点传输数据,在握手过程中,源和目的节点之间的中继节点会在上一节点完成握手之前提前与下一跳中继节点开始握手,以级联方式减少控制数据包交换时间且保留多跳信道的同时,若数据流上的节点在反向传输的过程中有数据包需要在相同数据流上传输,则可在节点握手和数据交换期间进行预留信道,以完成反向传输。一旦信道预留成功,则可发送多个数据包,从而提高信道利用率,减少端到端延迟,在高流量的多跳环境中实现更好的性能。本文通过仿真实验与现有的水下多跳网络中逐跳方式握手的MAC协议进行对比,证明了本协议在多跳网络中具有更高的网络性能。
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