论文部分内容阅读
水声通信网络以其广阔的应用前景吸引着学术界和工业界的目光。水声信道传播时延长、误码率高极易导致链路中断等问题给水声通信网络组网协议设计带来了严峻的挑战。为了提供高效的水下信息传输与共享服务,本文深入研究了水声通信网络组网协议中的MAC和路由协议,提出了适用于传播时延长背景下的MAC层链路调度方法和链路可靠性差条件下的路由协议,达到了提高信道利用率、降低多路径时延差和提高转发效率的目的。研究成果对推动水声通信网络发展有着重要的理论意义和应用参考价值。论文的主要工作和创新点包括:(1)为了降低传播时延长对网络吞吐量的影响,建立了关联矩阵链路调度模型,提出了最小时帧周期MAC层链路调度算法。关联矩阵调度模型不仅能够简洁有效的描述链路间潜在冲突关系,而且在无冲突调度中能够忽略调度优先级对网络性能的限制。最小时帧周期MAC层链路调度算法获得的网络吞吐量接近于最优链路调度。为了进一步提高网络吞吐量,提出了联合关联矩阵和功率控制的MAC层链路调度算法,增强了部分接收节点的抗干扰能力以提高信道利用率。仿真研究表明,相对于当前主流的MAC层链路调度算法,本文提出的两种MAC层链路调度算法在网络吞吐量和平均端到端时延方面具有明显的优势。(2)系统性地研究了线性水声通信网络的吞吐量。理论证明了可变干扰距离与通信距离比场景下单向流单播、双向流单播、多源单向流单播和单源广播场景下线性水声通信网络的吞吐量上界,并且给出了单向流单播和双向流单播场景下实现最大吞吐量的时隙调度方法。上述多种流量场景下的网络吞吐量研究能够为线性水声通信网络的多样化应用场景提供理论支持,可变干扰距离与通信距离比场景下的网络吞吐量研究能够支持具有不同接收处理能力的水声通信网络。(3)针对多路径干扰和时延差过大的问题,提出了一种最小时延差多路径路由协议。该协议从垂直平分线的特性出发构建了三条节点不相交的独立路径,且每一跳的三条路径之间具有一定传播时延差。基于TDMA的无干扰多路径链路调度利用了每一跳路径之间的传播时延差完成三条路径的并行无干扰传输。仿真研究表明最小时延差多路径路由不仅在网络吞吐量和平均端到端时延性能方面优于由改进的M-Dijkstra算法输出的多路径路由,而且能够有效地降低多路径之间的时延差。(4)针对链路可靠性差降低转发效率的问题,建立了一种提高路径多样性的转发候补集选择模型,该模型既关注了水声信道衰落对数据包成功接收的影响同时考虑了转发节点位置分布对路径连通性的影响。基于该模型提出了两种提高转发效率的机会路由协议。仿真研究验证了提高路径多样性的转发候补集选择模型的有效性,也表明本文提出的两种机会路由协议相对于当前主流的机会路由协议在数据包交付概率和节点平均能量消耗方面具有明显的优势。