基于异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议研究

摘要

无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSNs)在陆地上得到了广泛应用，由于地球70％的部分由海洋覆盖，以及海洋技术和军事上的需求，以声波为传输媒介的水下无线传感器网络(Underwater sensoracousticnetworks,UWSNs)也越来越受到人们的重视。但与传统的陆地传感器网络相比，UWSNs在数据送达率、带宽利用率以及网络能量消耗方面存在诸多问题。为了解决UWSNs能量消耗过高的问题，许多研究者提出了基于占空比（如周期性睡眠唤醒）机制的MAC协议，通过周期性的睡眠唤醒来避免节点的空闲监听，进而降低整个网络的能量消耗，但占空比机制会导致带宽利用率降低，进而降低网络的数据送达率(Packet Delivery Rate,PDR)。
　　针对上述问题，本文提出一种基于异步占空比和网络编码的水下无线传感器网络MAC协议(Asynchronous Duty CyclewithNetwork Coding MAC,ADCNC-MAC)，本协议包含初始化MAC协议阶段和数据传输阶段。在初始化MAC协议阶段，通过异步占空比技术确定每对节点交换数据的约定时间，根据约定时间，每对节点进行周期性睡眠和唤醒来收发数据，有效减少了节点的空闲监听，降低能量消耗；同时提出一种编码节点选择算法，确定网络编码层内编码节点的数量以及节点的分布，避免编码节点过多导致对整个网络性能的降低。在数据传输阶段，根据初始化阶段确定的策略进行数据的发送与接收，普通节点只转发接收的数据，而编码节点采用本文提出的编码算法对接收的数据进行融合后再发送，提高了数据包的信息量，进而提高了PDR以及网络吞吐量。最后，使用NS-3仿真工具对ADCNC-MAC协议进行仿真实验，并与现有的水下MAC对比，证明本协议在保证能量利用率的同时，提高了PDR以及网络吞吐量，保证了网络的可靠性。

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第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2相关领域现状

1.3主要研究内容

第2章 相关理论与技术

2.1 UWSNs的特点

2.2 UWSNs的层次结构

2.3水下移动自组织网络分析

2.4 网络编码技术

2.5 占空比机制

2.6本章小结

第3章 ADCNC-MAC协议

3.1网络模型的定义

3.2初始化ADCNC-MAC协议阶段

3.3 ADCNC-MAC协议数据传输阶段

3.4本章小结

第4章 ADCNC-MAC协议的仿真分析

4.1网络仿真工具NS-3

4.2 ADCNC-MAC协议的实现

4.3 ADCNC-MAC协议的仿真性能对比分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的文章和取得的科研成果

致谢