多跳中继式水声通信网的MAC层协议研究与实现

摘要

水声通信网由于可以弥补传统海洋探测技术的诸多不足，在海洋信息采集、环境监测、灾难预报、协助导航、战术监督等民用军事领域有着重要的应用价值。然而，水声信道的长传播延迟、可用带宽窄、强时变、多径复杂等特点给水声通信网的研究带来了巨大的挑战。目前，水声通信网的研究重点主要集中在物理层、数据链路层和网络层。数据链路层的MAC子层关系到能否充分利用稀有的水声信道资源，MAC层协议的设计几乎影响了网络各个方面的性能，比如信道利用率、网络延迟、公平性、能量有效性等。虽然无线网络中有许多成熟的MAC层协议，但是它们都不能直接应用于水声通信网中，因此，必须针对水声通信网的特点，精心设计相应的MAC层协议。本文主要研究了多跳中继式水声通信网的MAC层协议，具体工作如下： 首先，分析了水声通信网的组成特点及其应用，并总结了当前国内外的研究现状。 其次，分析了水声通信网的协议栈，讨论水声通信网拓扑结构的选择，结论是采用多跳中继式网络拓扑是水声通信网较好的选择。 第三，介绍无线通信网的MAC层协议，总结水声通信网MAC层协议的分类和当前MAC层协议研究现状与面临的挑战。 第四，针对水声通信网的特点，提出了两种适用于多跳中继式水声通信网的MAC层协议，通过OPNET建立仿真模型，分析了两种协议的性能。 最后，论文的总结和结论以及对后续工作的展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2水声通信网的组成

1.3水声通信网的特点

1.4水声通信网的应用

1.4.1按应用领域分类

1.4.2按网络生存周期分类

1.5水声通信网的国内外研究现状

1.6论文的主要研究工作

第二章 水声通信网的体系结构与拓扑结构选择

2.1引言

2.2水声通信网传感器节点的结构

2.3水声通信网络的体系结构

2.4水声通信网的跨层设计

2.5网络拓扑结构的选择

2.5.1网络拓扑结构选择的意义

2.5.2网络拓扑结构的分类

2.5.3水声通信网拓扑结构的选择

2.6本章小结

第三章 无线通信网的MAC层协议研究

3.1引言

3.2 IEEE 802.11的MAC层协议

3.2.1 MAC层帧的格式

3.2.2 IEEE 802.11的无线媒体接入协议

3.3 IEEE 802.15.4的MAC层协议

3.3.1 MAC层帧的格式

3.3.2 MAC层功能实现

3.4本章小结

第四章 水声通信网的MAC层协议研究

4.1引言

4.2水声通信网的MAC层协议分类

4.2.1分配类MAC层协议

4.2.2竞争类MAC层协议

4.3水声通信网MAC层协议的退避算法

4.3.1二进制指数退避算法(BEB)

4.3.2倍数增线性减算法(MILD)

4.4水声通信网的MAC层协议研究现状

4.4.1改进Aloha类协议

4.4.2基于RTS-CTS握手的MAC协议

4.4.3分配类MAC协议

4.4.4混合类MAC协议

4.4.5节能MAC协议

4.5多跳中继式水声通信网的MAC层协议研究挑战

4.6本章小结

第五章 多跳中继式水声通信网的MAC层协议设计与仿真分析

5.1引言

5.2网络仿真工具的选择

5.3 MAC层协议性能评价参数

5.4双信道MAC层协议设计

5.4.1双信道MAC层协议概述

5.4.2双信道MAC层协议的工作流程

5.4.3双信道MAC层协议带宽分配

5.5双信道MAC层协议的OPNET仿真设计与实现

5.5.1网络模型的设计

5.5.2节点模型的设计

5.5.3进程模型的设计

5.6双信道MAC层协议仿真结果及分析

5.6.1最佳理论信道分配

5.6.2吞吐量性能

5.6.3端到端延迟性能

5.6.4能量消耗性能

5.6.5公平性

5.7.Aloha-LPD协议的设计

5.7.1 Aloha-LPD协议概述

5.7.2 Aloha-LPD协议的工作流程

5.8 Aloha-LPD协议的OPNET仿真设计与实现

5.8.1网络模型的设计

5.8.2节点模型的设计

5.8.3进程模型的设计

5.9 Aloha-LPD协议仿真结果及分析

5.9.1吞吐量性能

5.9.2端到端延迟性能

5.9.3能量消耗性能

5.9.4公平性

5.10本章小结

第六章 总结

6.1本文的工作总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果