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水声通信网络MAC协议研究

作　者: 赵占伟
导　师: 张汝波
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 水声通信网 水声信道 802.11协议 S-MAC协议
分类号: TN929.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  5-6ABSTRACT  6-11第1章 绪论  11-21  1.1 课题研究的背景和意义  11-12  1.2 水声通信网的国内外研究现状  12-16  1.3 水声信道与陆上无线电信道的差异  16-19    1.3.1 水声信道特点  16-18    1.3.2 浅海水声信道与陆上无线电信道的不同  18-19  1.4 本文的研究内容和结构  19-21第2章 水声通信网络体系结构研究  21-27  2.1 水声通信网络节点结构及特点  21-23    2.1.1 水声通信网络节点结构  21-22    2.1.2 水声通信网络节点特点  22-23  2.2 水声通信网络拓扑结构研究  23-24  2.3 水声通信网络分层结构及特点  24-26    2.3.1 物理层(Physical Layer)  24-25    2.3.2 数据链路层(Data Link Layer)  25-26    2.3.3 网络层(Network Layer)  26  2.4 本章小结  26-27第3章 水声通信网络相关MAC协议研究  27-36  3.1 水声通信网络MAC协议设计面临的挑战  27-30    3.1.1 网络拓扑结构和节点部署问题  27    3.1.2 能效问题  27-28    3.1.3 隐藏终端和暴露终端问题  28-29    3.1.4 基于RTS/CTS相关的时延问题  29    3.1.5 远近效应和同步问题  29-30  3.2 固定分配的MAC协议  30-31    3.2.1 TDMA协议  30    3.2.2 FDMA协议  30-31    3.2.3 CDMA协议  31  3.3 基于竞争的MAC协议  31-34    3.3.1 ALOHA协议  31-32    3.3.2 载波侦听随机多址接入方式(CSMA)  32-33    3.3.3 MACA/MACAW协议  33    3.3.4 基站捕获多址接入协议(FAMA)  33-34  3.4 其它MAC协议  34-35    3.4.1 延迟容忍协议(Delay Tolerant MAC Protocol)  34    3.4.2 T-Lohi协议  34-35  3.5 本章小结  35-36第4章 基于能效问题的MAC协议研究  36-50  4.1 IEEE 802.11协议  36-43    4.1.1 MAC帧格式  37-39    4.1.2 二进制指数退避算法(Binary Exponential Backoff,BEB)  39-41    4.1.3 IEEE 802.11DCF协议的接入模式  41-43  4.2 S-MAC协议及其改进  43-48    4.2.1 协议基本思想  43    4.2.2 周期性侦听/睡眠和同步机制  43-45    4.2.3 自适应侦听和消息传递机制  45    4.2.4 冲突和串扰避免机制  45-46    4.2.5 S-MAC协议的优缺点  46-47    4.2.6 S-MAC协议的改进  47-48  4.3 本章小结  48-50第5章 水声通信网络MAC协议仿真实验  50-67  5.1 仿真工具介绍  50-51  5.2 MAC协议的NS2仿真流程  51-53  5.3 NS2中MAC协议的实现  53-55  5.4 网络性能指标的定义  55-56  5.5 仿真实验一  56-60    5.5.1 实验设置  56-58    5.5.2 仿真数据结果及分析  58-60  5.6 仿真实验二  60-63    5.6.1 实验设置  60-61    5.6.2 仿真数据结果及分析  61-63  5.7 仿真实验三  63-66    5.7.1 实验设置  63-64    5.7.2 仿真数据结果及分析  64-66  5.8 本章小结  66-67结论  67-69参考文献  69-73攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  73-74致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 水下通信（声纳通信）
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