水声通信网络MAC协议研究

论文摘要

海洋中蕴含丰富的资源,随着陆地资源的日渐枯竭,人类逐渐把目光投向海洋。水声通信网络在人类开发和利用海洋资源方面扮演重要的角色,它的应用领域如：海洋数据采样、环境监测、灾难预防、辅助导航、分布式战术监测、编队探雷等。水声环境比较恶劣,水声信道与陆上无线电信道不同,具有通信带宽有限、传输时延大、多径性、多普勒频移、衰减严重、强时变、空变、随机性等特点。首先,水声通信网络体系结构与陆上无线电网络体系结构有很大差异,节点受限于能量问题更严重,且与传统的OSI模型不同,专家普遍把水声通信网络分为三层：网络层、数据链路层、物理层。其中数据链路层主要起着为上层网络协议提供可靠链路作用,它又分为逻辑链路层（LLC）和媒体接入控制层（MAC）,本文主要研究媒体接入控制层协议。然后,本文分析了水声通信网络MAC协议研究所面临的挑战以及几种主要的相关MAC协议,重点分析了水声通信网络中的能效问题,推出能效问题是水声通信网络中应该考虑的核心问题。其次,从能效方面出发,主要研究两种比较典型的MAC协议：IEEE 802.11协议和S-MAC协议。IEEE 802.11协议分为点协调（PCF）和分布式协调形式（DCF）,本文主要研究DCF形式。S-MAC协议是在IEEE 802.11协议的基础上,从能耗方面考虑改进的协议。它通过周期性的侦听/睡眠机制减少空闲侦听时间,从而达到减少网络能耗的目的。S-MAC协议由于采用固定的侦听/睡眠时间占空比,存在无法适应网络负载动态变化的缺限,因此本文提出了一种动态调整侦听/睡眠时间占空比的改进协议。最后,通过NS2仿真环境,分别构建相关网络场景,研究相关协议在水声环境中的性能。考虑到水声环境的特殊性,分别统计了4种网络指标：网络时延、吞吐量、能耗、数据包发送成功率。仿真结果分析表明,S-MAC协议在能效方面要优于802.11DCF协议,主要是由于S-MAC协议采用了周期性的侦听/睡眠机制,而这是牺牲了其它一些因素的基础上实现的。当网络业务量大时,改进协议在能效方面明显优于原先S-MAC协议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 水声通信网的国内外研究现状
• 1.3 水声信道与陆上无线电信道的差异
• 1.3.1 水声信道特点
• 1.3.2 浅海水声信道与陆上无线电信道的不同
• 1.4 本文的研究内容和结构
• 第2章 水声通信网络体系结构研究
• 2.1 水声通信网络节点结构及特点
• 2.1.1 水声通信网络节点结构
• 2.1.2 水声通信网络节点特点
• 2.2 水声通信网络拓扑结构研究
• 2.3 水声通信网络分层结构及特点
• 2.3.1 物理层（Physical Layer）
• 2.3.2 数据链路层（Data Link Layer）
• 2.3.3 网络层（Network Layer）
• 2.4 本章小结
• 第3章 水声通信网络相关MAC协议研究
• 3.1 水声通信网络MAC协议设计面临的挑战
• 3.1.1 网络拓扑结构和节点部署问题
• 3.1.2 能效问题
• 3.1.3 隐藏终端和暴露终端问题
• 3.1.4 基于RTS/CTS相关的时延问题
• 3.1.5 远近效应和同步问题
• 3.2 固定分配的MAC协议
• 3.2.1 TDMA协议
• 3.2.2 FDMA协议
• 3.2.3 CDMA协议
• 3.3 基于竞争的MAC协议
• 3.3.1 ALOHA协议
• 3.3.2 载波侦听随机多址接入方式（CSMA）
• 3.3.3 MACA/MACAW协议
• 3.3.4 基站捕获多址接入协议（FAMA）
• 3.4 其它MAC协议
• 3.4.1 延迟容忍协议（Delay Tolerant MAC Protocol）
• 3.4.2 T-Lohi协议
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于能效问题的MAC协议研究
• 4.1 IEEE 802.11协议
• 4.1.1 MAC帧格式
• 4.1.2 二进制指数退避算法（Binary Exponential Backoff,BEB）
• 4.1.3 IEEE 802.11DCF协议的接入模式
• 4.2 S-MAC协议及其改进
• 4.2.1 协议基本思想
• 4.2.2 周期性侦听/睡眠和同步机制
• 4.2.3 自适应侦听和消息传递机制
• 4.2.4 冲突和串扰避免机制
• 4.2.5 S-MAC协议的优缺点
• 4.2.6 S-MAC协议的改进
• 4.3 本章小结
• 第5章 水声通信网络MAC协议仿真实验
• 5.1 仿真工具介绍
• 5.2 MAC协议的NS2仿真流程
• 5.3 NS2中MAC协议的实现
• 5.4 网络性能指标的定义
• 5.5 仿真实验一
• 5.5.1 实验设置
• 5.5.2 仿真数据结果及分析
• 5.6 仿真实验二
• 5.6.1 实验设置
• 5.6.2 仿真数据结果及分析
• 5.7 仿真实验三
• 5.7.1 实验设置
• 5.7.2 仿真数据结果及分析
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢