面向海洋环境的异构无线网络系统优化研究

摘要

面向海洋环境的异构无线网络系统是实现海洋信息传输的重要手段，其研究领域包含了异构无线网络的软件系统、MAC层协议、路由层协议，以及硬件系统和附属各子系统等。与传统无线通信技术和无线网络相比，其系统结构复杂、涉及技术广泛:包括用于采集水下信息的由信标和水下机器人组成的低速水声传感器网络、用于数据回传的水面高速无线Mesh网络和用于连接异构网络的各类资源。系统各部分既相对独立又相互关联，为此，本文从海洋环境的异构网络的特点入手，深入分析各部分所面临的问题，研究并提出网络的优化方案，以实现数据的高效传输，这也是面向海洋环境的异构无线网络系统的研究热点，得到了学者们的广泛关注。 本文通过对现有系统和既有工作的深入研究，发现了现有的面向海洋环境的异构无线网络系统的研究仍存在一些不足:水声传感网的MAC层协议适应性差，难以在高延迟链路中动态适应网络负载的变化，导致节点开销过大;水面无线Mesh网络的链路调度机制未能充分考虑网络中不同射频前端的干扰模型不一致的问题;路由协议尤其是多径路由协议中的拥塞控制方法无法有效的应对网络波动等问题。为此，本文从异构网络协议和功能人手，从多个方面提出了相关的协议优化和解决方案，本文的主要贡献在于: (1)针对水声传感网通信过程中所遭遇的传播延迟大、通信带宽低的制约，对网络性能进行优化，提出了基于网络负载优化的水声传感网MAC层协议。协议从减少网络中控制帧的使用量入手，将网络的负载考虑到协议的工作方式中，即由接收节点根据自身预期接收的数据量来计算网络的负载状态，进而选择使用ALOHA模式或者通过控制帧控制各个发射节点的发送时间。本文通过理论分析和仿真实验，在不同的网络拓扑结构下，从数据吞吐量、端到端延迟和能耗方面对UPMAC和现有多种MAC协议进行了对比，证明了该协议的高低负载模式能够有效的适应网络状态、降低节点能耗，提升网络性能。 (2)针对无线Mesh网络容量的优化问题，从物理层天线的基本特性入手，将不同类型定向天线的干扰角度、天线增益等问题列入到链路调度问题，提出了解决MLS问题的近似算法，以期实现在同一时隙进行传输的最大链路集合的调度方式，提高无线Mesh网络的吞吐量。本文通过理论分析和仿真实验，证明了定向天线相较于全向天线，对链路间干扰有明显的抑制效果，本文所提出的基于定向天线的链路调度算法表现较好，在该调度算法下，能够明显提升网络容量。 (3)针对无线Mesh网络容量的优化问题，向无线Mesh网络中引入多径传输协议MPTCP，并深入探讨了其拥塞控制机制。本文分析了现有拥塞控制算法的弊端:缺乏对路径上丢失数据包原因的分析，导致了拥塞窗口分配不合理的问题。本文通过将MPTCP中的多个子流进行联合分析，根据各子流所在路径上的拥塞状况和带宽条件，提出选择最优路径从而提高MPTCP的吞吐量，并实现拥塞的均衡的方法。本文通过理论分析和仿真实验证明，该拥塞控制方法相对于传统TCP和OLIA等拥塞控制机制，能够明显改善MPTCP的性能，提升网络吞吐量。 (4)本文的最后一部分工作从无线Mesh网络设备和实验床的建立出发，说明所设计并完成的无线Mesh路由器的硬件设计、软件设计等工作，并就其特性和性能等方面进行了测试，并进行了无线Mesh网络相关的实验，尤其是从实验角度提出了定向天线与链路调度的问题。通过该平台的部署，在实际的网络环境中完成了大量实验项目，采集了大量实验数据，为今后面向海洋环境的异构无线网络的研究提供了不可或缺的支撑。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2国内外相关工作

1．2．1 面向海洋环境的异构无线网络系统

1．2．2水下水声传感网的MAC协议

1．2．3无线Mesh网络MAC层的链路调度

1．2．4 多径传输协议与MPTCP

1．2．5无线Mesh网络平台和性能要求

1．3本文的研究内容

1．4论文组织结构

2水下机器人的水声通信MAC协议UPMAC

2．1 引言

2．2 水声传感网的物理层与MAC层特性分析

2．2．1 水声传感网的MAC协议现状分析

2．3 UPMAC协议的原理

2．3．1 UPMAC协议概述

2．3．2 UPMAC协议工作原理

2．3．3数据帧2碰撞问题的应对

2．3．4 UPMAC吞吐量分析

2．4 UPMAC协议的模拟实验与评估

2．4．1模拟环境设置

2．4．2拓扑结构和Efficiency初值

2．4．3协议性能对比和分析

2．5本章小结

3无线Mesh网络的链路调度优化

3．1 引言

3．2基础模型与问题抽象

3．2．1 网络传播模型

3．2．2干扰模型和基于定向天线的干扰模型

3．3调度算法与算法分析

3．3．1半双工调度算法

3．3．2全双工调度算法

3．3．3全双工调度算法正确性分析

3．3．4全双工调度算法性能分析

3．4 FLSDA实验与结果分析

3．4．1 性能衡量标准及参数定义

3．4．2半双工算法性能实验和分析

3．4．3全双工算法性能实验和分析

3．5本章小结

4无线Mesh网络的多径传输优化

4．1 引言

4．2 多径传输拥塞控制问题分析

4．2．1 MPTCP协议分析

4．2．2 MPTCP的拥塞控制机制

4．2．3 MPTCP的拥塞控制研究

4．3基于带宽估计的多径链路拥塞算法研究

4．3．1 BELIA算法的原理

4．3．2 BELIA算法的目标分析

4．4基于带宽估计的多径链路拥塞算法性能评测

4．4．1 BELIA测试床的设置和测试

4．4．2 BELIA性能评估

4．4．3各MPTCP协议性能对比

4．5本章小结

5面向海洋监测的无线Mesh网络平台的部署实验

5．1 引言

5．2 ROV双模通信协议转换器的研究和实现

5．2．1 通信协议转换器的硬件设计

5．2．2通信协议转换器的软件设计

5．2．3协议转换的状态机

5．3无线Mesh网络多跳路由协议的设计

5．3．1现有无线Mesh路由协议简介

5．3．2无线Mesh路由协议设计

5．4无线Mesh网络平台实现和测试

5．4．1 无线Mesh平台软硬件概况

5．4．2无线Mesh路由平台设计与构建

5．4．3水面无线Mesh节点供电系统的设计与测试

5．4．4无线Mesh实验床的部署

5．4．5无线Mesh路由器功能性实验与测试

5．4．6 网络性能实验与结果分析

5．5本章小结

6结论与展望

6．1 工作总结

6．2创新点摘要

6．3未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介