基于能量高效的水下无线传感器网络MAC协议优化

摘要

不同于依靠单个传感器的水下信息获取方式，网络化的水下传感器系统具有机动灵活、成本低廉、效费比高等优点，成为了世界各国对水下信息获取的研究热点。水下传感器网络MAC协议的作用是控制节点接入水声信道，是数据在信道上发送和接收的直接控制者，为网络层等提供了快速、可靠的数据收发支持。因此，MAC协议感知并适应水声信道情况，对水下无线传感器网络的性能起着决定性的作用。而水下复杂的信道环境，如高噪声、窄带宽、强多途和长时延等，使得在水声信道中许多常用的MAC协议不能得到应用。所以，水下无线传感器网络MAC协议，除了考虑常规的无线传感器网络的信道特征以外，还要根据水下环境的特点而设计。水声传感器节点部署在海底使用电池供电来工作，所以不能使用太阳能充电而且更换困难，因此在保证通信所需要的速率与误码率的前提下尽可能的对能量消耗进行优化是传感器网络考虑的重要因素。
　　围绕这个主题，本文通过对现有水下传感器MAC协议性能进行研究，针对MAC层存在的能量浪费现象，以及水声网络中由于长且变的传播时延而难以同步的问题，提出了随机唤醒的异步睡眠机制和独立节点功率控制的方法，来进行能耗优化。论文主要包括以下几个方面的工作:
　　1.阐述无线传感器网络以及MAC层协议节能方案的国内外各高校或组织的最新研究进展。
　　2.建立了水下传感器网络通信能耗模型，为MAC层协议性能分析提供条件。介绍了水声信道的特点，设定了水声信道传输模型;分析了水下传感器网络的网络拓扑结构和协议分层;对传感器节点的通信耗能建模，为本文的重点——MAC层的能耗研究提供基础。
　　3.对水下无线传感器MAC协议的设计目标及问题进行了介绍，指出了MAC层能量消耗的原因。对现有的水下MAC层协议进行了详细的研究，分析了不同类型的MAC协议的优缺点。
　　4.使用Matlab软件对常用的MAC协议网络性能和能量消耗进行仿真分析。
　　5.根据MAC协议在水下传感器网络中的性能，基于MACA协议提出了一种基于睡眠机制和功率控制的能量优化方案。
　　本文的创新之处在于将异步随机唤醒的睡眠机制与功率控制结合起来对MAC层进行能量的优化。仿真结果表明，能量优化后的MAC协议在各种网络参数下，如数据包长度变化和网络业务量变化，都没有使网络通信性能，即吞吐量和时延性能下降，同时，大大的节省了传感器节点的能量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究的国内外进展

1．2．1 水下无线传感器网络国内外研究进展

1．2．2 水下无线传感器网络MAC层协议能量优化技术研究进展

1．3 本文研究内容及结构安排

第二章 水下传感器网络通信能耗模型

2．1 水声信道主要特征

2．1．1 传播损失

2．1．2 传播时延

2．1．3 环境噪声

2．1．4 多途效应和多普勒效应

2．2 水声信道传输模型

2．3 水下无线传感器网络拓扑与协议栈

2．3．1 网络拓扑结构

2．3．2 水下无线传感器协议栈

2．4 通信能耗模型

2．5 本章小结

第三章 水下无线传感器网络MAC协议仿真研究

3．1 水下无线传感器网络MAC协议的设计目标

3．1．1 MAC协议性能指标

3．1．2 MAC协议设计要求

3．2 水下无线传感器网络MAC协议设计中面临的主要问题

3．2．1 隐藏终端和暴露终端问题

3．2．2 能耗限制

3．2．3 时间同步困难

3．3 水下无线传感器网络MAC协议分类

3．3．1 基于固定分配的MAC协议

3．3．2 基于随机竞争的MAC协议

3．3．3 混合MAC协议

3．4 常用水下无线传感器网络MAC协议

3．4．1 纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议

3．4．2 CSMA协议

3．4．3 MACA协议

3．4．4 Slotted FAMA协议

3．5 常用水下无线传感器网络MAC协议性能仿真分析

3．5．1 吞吐量

3．5．2 平均端对端时延

3．5．3 平均能量消耗

3．5．4 性能比较总结

3．6 本章小结

第四章 基于能量高效的水下无线传感器网络MAC协议优化

4．1 能量有效性设计的方向

4．1．1 减少数据冲突

4．1．2 采用睡眠机制

4．1．3 采用功率控制机制

4．2 水下无线传感器网络MAC协议能量优化方案

4．2．1 随机唤醒的睡眠机制

4．2．2 独立节点的功率控制

4．2．3 协议描述

4．3 能量优化机制对网络通信性能的影响

4．3．1 随机唤醒睡眠机制的影响

4．3．2 功率控制机制的影响

4．4 仿真结果及分析

4．4．1 不同网络业务量下优化前后协议的网络通信性能对比

4．4．2 不同数据包长度下优化前后协议的网络通信性能对比

4．4．3 优化前后协议的能量消耗对比

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文研究工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢