水声异构传感器网络混合MAC协议的研究

作     者：郑天铭 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田明浩

授予年度：2021年

学科分类：082403[工学-水声工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水声异构传感器网络 混合MAC协议 LSHP MC-SFAMA 

摘      要：水下传感器网络（Underwater sensor networks,UWSNs）被广泛应用在监测海洋环境、探测海底目标及收集海洋数据等方面,引起了军民两领域的密切关注。UWSNs的特点是采用声波通信,由于水声信道具有低带宽、长传播时延和高误码率等特点,因此,构建高效的通信网络非常重要。要实现数据的高效传输,关键之一是根据水声信道特点设计MAC协议。本文针对大规模水声异构传感器网络的特点和水声信道独特的性质,提出一种分簇网络模型,并分别针对簇内小规模密集型传感器网络负载动态变化的问题,簇首节点在数据传输时产生的漏斗效应和协议中存在的暴露终端问题,提出了簇内通信混合MAC协议和簇间通信MAC协议。对于簇内通信,针对动态变化的网络负载,设计了一种负载自适应混合MAC协议LSHP（Load Self-adaptive Hybrid Protocol）。LSHP将TDMA和CSMA/CA协议融合在一起,根据网络负载情况选择最优的协议进行数据传输,解决了单一协议不能高效利用水声信道的问题;通过设计最优退避算法,得出竞争节点的最优退避次数,从而降低了网络时延。对于簇间通信,提出了一种簇间通信MAC协议MC-SFAMA（Slotted FAMA based on Multi-data packet sequential acceptance mechanism）,解决了簇首节点在给基站传输数据时存在的漏斗效应问题。MC-SFAMA是一种基于Slotted-FAMA的多接收机制的MAC协议,针对SlottedFAMA协议中存在的暴露终端问题,通过规定ACK控制报文发送的时间来解决;通过设计多接收机制,允许一个接收节点在完成一次RTS/CTS握手周期后,接收来自多个发送节点的DATA,缓解了漏斗效应带来的不利影响。根据仿真结果表明,LSHP协议与同类混合MAC协议相比较,增加了时隙保护时间的设计,从而降低了网络时延,提高了信道利用率,能较好地适应网络负载的动态变化。MC-SFAMA协议与同等类型的多接收机制协议相比,增加了DATA发送时机的设计,从而降低了能量开销,提高了网络吞吐量。