基于能耗优化的水声传感器网络通信机制研究

摘要

能量有限性是限制水声传感器网络发展的瓶颈之一,研究节能技术对水声传感器网络的发展具有重大意义。
　　本文以优化能量损耗为出发点,主要研究节点的传输策略和介质访问控制(MAC)协议对水声传感器网络能量损耗的影响,通过优化传输参数和改进MAC协议来提高网络的能量效率。
　　论文首先介绍了水声传感器网络的系统结构,分别从节点层次和网络层次对水声传感器网络的能量损耗问题进行讨论,详细分析了水声信道的特点及影响因素。其次,重点研究了水声传感器节点传输能耗优化方法和基于能耗优化的MAC协议改进方案。在节点传输策略中,研究了通信频率、节点距离、数据包长和接收信噪比这四个参数与节点传输能量效率的关系;详细分析了通信频率和数据包长的优化设置方法,并通过对传输参数进行优化设置使节点传输能量效率得到提高;在优化的参数下,通过仿真比较了相干BPSK、相干BFSK和非相干BFSK这三种常见水声调制方式的能量效率。在MAC协议的研究中,分析了时隙ALOHA和TDMA两种典型MAC协议;设置优化的传输参数,并利用NS2搭建了一个小型水声传感器网络来仿真网络的能量效率和吞吐量等相关性能指标,通过分析得出时隙ALOHA协议只适应网络负载低的情况,而TDMA协议只有在负载高时才能获得高能量效率(energy efficiency);针对这两种协议不能灵活适应网络负载变化的缺点,提出了一种能根据网络负载而变化的自适应混合MAC协议,通过仿真验证了该协议比时隙ALOHA和TDMA协议更能灵活适应网络负载的变化,其能量效率等相关性能指标得到了提高。
　　本文研究了节点的节能传输优化策略,并将优化的参数应用于网络仿真中,同时对MAC协议进行相应改进,使网络的能量效率等相关指标得到提高。本文的研究成果有助于深入研究水声传感器网络的节能技术,为水声传感器网络的开发设计提供了一定的参考。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 水声传感器网络节能技术研究现状

§1.3 本文的主要工作

§1.4 论文的结构安排

第二章 水声传感器网络能量损耗分析

§2.1 水声传感器网络系统结构介绍

§2.2 水声传感器网络能量损耗问题

§2.3 本章小结

第三章 水声传感器网络信道特性分析

§3.1 水下通信传输媒质分析

§3.2 水声信道特点分析

§3.3 影响水声通信的因素分析

§3.4 本章小结

第四章 水声传感器节点节能传输策略研究

§4.1 相关问题描述

§4.2 能耗优化的节点传输策略分析

§4.3 本章小结

第五章 水声传感器网络节能MAC协议设计与仿真

§5.1 水声传感器网络MAC协议设计目标

§5.2 水声传感器网络MAC协议分类

§5.3 水声传感器网络MAC协议能量效率仿真比较

§5.4 一种网络负载自适应混合MAC协议

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 本文工作总结

§6.2 未来研究展望

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果