水声传感器网络物理层传输特征及MAC协议研究

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水声传感器网络作为国际前沿课题,在海洋环境监测、资源探测、科学研究、灾难预防、辅助导航、战术警戒等领域具有重要应用价值。本文以“十一五”国家高技术研究发展计划项目——基于传感器网络的深远海环境监测平台关键技术研究为依托,主要研究水声传感器网络MAC协议,创新工作如下:   (1)提出一种新型水声传感器网络试验平台:为物理层传输特征测试和协议评估提供高效灵活的调试和分析手段,解决了水声传感器网络因部署在水下导致的测试难题。在试验平台上进行基于大型水池和海港两种不同通信尺度的水声通信实验,总结物理层传输特征,为MAC协议研究提供基础。   (2)针对深远海环境监测中周期性采集数据的应用场合,提出一种基于分簇结构的TDMA与CDMA混合调度的MAC协议。簇内采用TDMA调度,簇间采用CDMA调度。该MAC协议的创新点在于提出一种能量有效的分簇算法EECA和一种簇头能量有效的TDMA协议CET。   EECA综合考虑节点剩余能量、簇内通信代价、节点与基站通信代价、节点与已当选各簇头距离共4种因素推选新簇头,同时采用簇头多跳通信方式避免离基站远的节点过早死亡。实验表明EECA有效延长了网络生存时间,相比LEACH-M延长了93%,相比HEED-M延长了52%;并具有较少的分簇重叠度,相比LEACH减少20%,相比HEED减少22%。   水声通信发射功耗远大于接收功耗、水声传播和传输延迟大是水声传感器网络的主要特点。针对这些特点,在不增加成员节点能耗的前提下,为减少簇头数据侦听,GET采用基于簇头接收时间的TDMA调度减少了簇头能耗5.1%;为避免簇头发送过多的ACK,CET在定期广播同步帧时附带各节点应答信息减少了簇头能耗14.2%。
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