水声通信网络多播通信模式MAC层协议研究

摘要

随着陆地资源的日益减少，人们越来越关注资源丰富的海洋。水下环境复杂恶劣，水声信道和陆上无线电信道存在着极大的不同，水声信道传输时延大、带宽有限、强时变空变、衰落严重。针对水下复杂的情况，为了提高网络吞吐量和信道利用率，本文从节点的通信模式入手，在节点多播通信模式下设计高效的水下 MAC层协议。本文详细介绍了水声通信网络的发展和研究现状，并对水下传感器网络协议结构进行了介绍，对现有的基于预分配MAC协议、随机竞争的MAC协议以及水声网络MAC协议进行了分析，明确水下无线传感器网络所面临的问题，为后面的研究奠定理论基础。
　　首先，分别对基于时隙分配单播和多播通信模式的水声网络吞吐量上限进行了理论推导，通过 OMNeT++仿真验证多播通信模式可以提高网络吞吐量并降低消息的端到端时延。针对时隙分配多播通信模式时隙资源浪费的问题，使用非时隙限制接收策略解决。为了控制数据报文冲突，针对节点产生冲突的三种情况，推导出时隙调度约束条件将其建模为差分约束系统问题，并用Bellman-Ford算法求出差分约束系统的解。
　　其次，提出多播模式启发式TDMA协议（multicasting heuristic TDMA protocol， MH-TDMA），利用时隙调度约束条件的解求出节点的不可用时间。利用水声网络较大的传输时延建立冲突目标状态图。根据节点的度、负载和链路时延情况确定节点优先级启发式规则。针对节点死亡和新节点加入的情况制定了网络维护策略以确保协议的正确完整运行。
　　最后，对 OMNeT++仿真平台进行简要的介绍，利用 OMNeT++搭建水声通信网络。针对本文提出的多播模式启发式TDMA协议，利用非时隙限制接收条件，在环型、树型、线型和网格4种拓扑结构下使用5种网络规模进行网络性能仿真，证明多播模式启发式TDMA协议可以提高网络吞吐量，并能降低消息的平均端到端时延。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 水声通信网络的研究现状

1.3 水声通信网发展面临的挑战

1.4 本文的研究内容与结构

第2章 水下无线传感器网络概述

2.1 水下无线传感器网络简介

2.2 无线传感器网络MAC协议介绍

2.3 主要网络性能指标

2.4 本章小结

第3章 多播模式非时隙限制接收策略

3.1 水声网络吞吐量研究

3.2 非时隙限制接收策略

3.3 无冲突限制条件求解

3.4 环型网络举例

3.5 本章小结

第4章 多播模式启发式TDMA协议

4.1 水下传感器网络MAC协议设计的难点

4.2 多播模式启发式TDMA协议

4.3 协议维护策略

4.4 本章小结

第5章 系统建模及协议仿真

5.1 OMNeT++仿真软件介绍

5.2 仿真传感器单元

5.3 协议仿真及性能分析

5.4 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