【摘 要】
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水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)是认知海洋海洋安全等领域的研究热点。作为水声传感器网络的核心技术之一,媒体接入控制技术(Media Access Control,MAC)主要负责信道资源的分配。由于水声信道具有长时延、能量受限、窄带宽等特点,为研究水下MAC协议带来了诸多困难。因此,如何针对水声信道的特性,设计出稳定且高效的MAC
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水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)是认知海洋海洋安全等领域的研究热点。作为水声传感器网络的核心技术之一,媒体接入控制技术(Media Access Control,MAC)主要负责信道资源的分配。由于水声信道具有长时延、能量受限、窄带宽等特点,为研究水下MAC协议带来了诸多困难。因此,如何针对水声信道的特性,设计出稳定且高效的MAC协议至关重要。论文以国家自然科学基金项目为背景,在深入分析水声传感器网络特点的基础上,结合动态网络场景中节点的运动行为,从水声网络中存在的能量消耗问题和时空不确定性两方面入手,设计出适用于移动和负载变化网络的水下MAC协议。论文主要研究内容包括:1、对现有水下MAC协议的设计思路及优缺点进行归纳总结,研究设计MAC协议所需面临的困难。针对动态通信环境,竞争型MAC协议具有优良的适应性和稳定性,因此对典型竞争型MAC协议(ALOHA、CSMA、DACAP)的工作原理进行深入研究。然后利用OPNET平台仿真分析影响网络吞吐量的因素。2、移动网络场景建模。分析水下传感器节点的运动行为,建立节点移动模型;研究水声信道模型,对传播时延、信噪比、误比特率等阶段进行建模;最终构建出适用于动态网络的水下MAC协议所需的网络场景。3、针对水声传感器网络能量受限,节点生存周期短的问题,考虑MAC层对信道调度以及对通信效率的影响,提出一种基于功率控制算法的MAC协议(PC-MAC)。该协议根据信道环境并结合节点间的距离来动态的调整发送功率,降低数据传输的能量消耗,实现延长节点使用寿命的目的。仿真结果表明:PC-MAC协议显著提高了网络的能量有效性。4、为了提高PC-MAC协议信道利用率,结合水声信道的时空不确定性,提出一种基于空时复用和功率控制联合优化的MAC协议(TSPC-MAC)。该协议改进了传统的握手机制,引入节点间对传思想,实现了数据的对向传输,从而提高了信道利用率。仿真结果表明,TSPC-MAC协议有效地改善了网络性能。
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