水声通信网中数据链路层MAC协议的研究与OPNET仿真

论文摘要

作为真正意义上的全球立体化信息通信网络的重要组成部分,水声通信网络在近十几年来已经成为国内外有关专家学者的热门研究领域。同传统的基于传感器的海洋信息监控方式不同的是,水声网络要求信息的交互具有实时性。网络中的信息不仅要求可以在水声网络的各个节点之间共享,更可以通过水面节点接入地面工作站甚至接入更高速的国际信息互联网进行实时的数据通信。水声通信网具有军、民两用的重要应用意义,民用方面主要应用于海洋数据采集,污染监测,灾难预报,辅助航海等任务中。目前,国内外对水声点对点通信的研究已取得了一定成效,在此基础上构建水声通信网络的主要研究课题是低功耗、扩展性好的水声网络通信协议设计,重点是对物理层、数据链路层以及网络层协议研究。高可靠的点对点水声通信技术为物理层的构建打下了基础,而对于数据链路层尤其是MAC协议而言,主要的挑战来自于水声网络环境下的快衰落、长延时以及节点能量有限的限制。本研究基于以上几个方面的考虑,重点研究了目前无线自组织网中常用的几种MAC协议在水声网络(主要是传感器网络)中的应用,并对协议性能进行了仿真分析,期望在浅海环境下成功构建低功耗,鲁棒性较好的水声通信网络MAC协议。本文主要工作包括以下几个方面:1、根据浅海水声信道环境,以及水声网络的应用特点,对于水声网络的拓扑结构以及协议的分层结构进行了分析;2、分析了水声网络MAC层协议设计面临的主要问题,以及协议的设计目标。针对无线自组织网中常用的MAC层协议进行研究,分析了这些协议各自的优缺点以及在水声网络中的应用前景;3、对ALOHA协议,MACAW协议,DBTMA协议在水声一跳和多跳网络中的应用进行分析,并经OPNET仿真,得出了这些协议在能量消耗、吞吐量以及延时性能等方面的仿真结果;4、结合IEEE 802.11,SMAC,PAMAS等协议对于MACAW协议进行能量消耗方面优化,并得出具体仿真分析结果。提出了水声通信网络中设计低功耗、高鲁棒性MAC协议的主要设计要点与研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水声通信网络的概况与发展现状
• 1.2.1 水声通信网络的组成结构
• 1.2.2 水声通信信道环境的特性分析
• 1.2.3 水声通信网络的应用
• 1.2.4 水声通信网络的国内外研究进展
• 1.3 本论文内容安排
• 第二章 水声通信网络的拓扑结构与分层协议设计
• 2.1 网络拓扑结构的分类及特点
• 2.1.1 集中式拓扑结构
• 2.1.2 分布式拓扑结构
• 2.1.3 多跳式拓扑结构
• 2.2 水声通信网络的拓扑结构设计
• 2.2.1 不同拓扑结构下的能耗分析
• 2.2.2 水声通信网络的拓扑结构设计
• 2.2.3 多跳式拓扑结构带来的问题
• 2.3 水声通信网络的协议分层结构
• 2.3.1 物理层
• 2.3.2 数据链路层
• 2.3.3 网络层
• 2.4 本章小节
• 第三章 无线网络MAC层协议的分类与研究
• 3.1 无线MAC层需要解决的主要问题
• 3.2 无线网络MAC协议的设计目标
• 3.3 常见的MAC协议分类
• 3.3.1 固定分配类多址接入方式
• 3.3.2 基于竞争的媒介接入协议
• 3.3.3 混合类协议
• 3.4 能耗有效性MAC协议
• 3.4.1 无线网络协议能量消耗的主要原因
• 3.4.2 能量有效性设计的两个方向
• 3.4.3 PAMAS协议
• 3.4.4 S-MAC协议
• 3.5 本章小节
• 第四章 水声通信网络MAC层协议
• 4.1 水声通信网络MAC协议设计的主要问题与设计目标
• 4.1.1 水声MAC协议设计中的面临的主要问题
• 4.1.2 水声MAC协议的主要设计目标
• 4.2 水声MAC协议设计中常见的几种设计方案分析
• 4.2.1 水声网络延时问题的解决方法
• 4.2.2 水声网络能量限制问题的解决方法
• 4.3 本研究的水声网络MAC协议设计模型
• 4.4 本章小节
• 第五章 水声通信网络MAC层协议仿真方法与结果分析
• 5.1 OPNET仿真工具简介
• 5.1.1 层次化仿真模型
• 5.1.2 离散事件仿真机制
• 5.2 仿真模型中物理层的建模与参数配置
• 5.3 仿真采用的节点模型设计
• 5.4 仿真中使用的帧结构
• 5.5 ALOHA协议仿真模型
• 5.6 MACAW协议仿真模型
• 5.7 DBTMA协议仿真模型
• 5.8 仿真结果分析对比与优化方案
• 5.8.1 ALOHA协议在长延时网络中的抗冲突能力分析
• 5.8.2 一跳网络协议性能对比分析
• 5.8.3 网络协议的优化方案与分析
• 5.8.4 多跳网络协议性能对比分析
• 5.9 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文的主要工作总结
• 6.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢