水声传感网MAC协议综述

海洋在人类发展中扮演着越来越重要的角色。水下通信技术作为人类认识海洋的重要手段,成为研究界的热点与难点。由于水下通信技术有不同于陆地无线通信的信道特点和性能要求,传统无线通信MAC(medium accesscontrol)协议难以直接应用于水声通信,因此相继提出针对各种应用场景的水声MAC协议。在简述水声传感网(Un-derwater Acoustic Sensor Network,UWASN)特点和MAC协议设计准则后,根据信道获取方式将当前典型协议分为基于竞争和基于调度两大类。根据冲突处置方式进一步将基于竞争的协议分为随机多址和冲突避免,根据信道分配的动态性将基于调度的协议分为动态分配和静态分配。在此分类基础上,描述了近期出现的典型协议的设计思想、主要机制,并比较了协议在能耗、信道利用、吞吐量等方面的差异,最后指出提高MAC协议性能的发展方向。

水声传感网中的高效调制解调器的设计

为适应水声传感网络节点密集、规模大、工作时间长的特点,提出了一种具有小体积、低成本、低功耗等特点的水声调制解调器。采用数字幅度调制2ASK调制解调方式,硬件使用低功耗设计方案,电池供电,使用市场上量产的收发一体式小型水声换能器,使功耗和成本得到大幅度降低。经实际测试,整机最大功耗为90 mW,数据传输速率为2kbps,具备代替市场上昂贵水声调制解调器的潜力,在水声传感网技术中有良好的应用前景。

基于嵌入式技术的水声传感网和VHF通信网络的互联网关设计

针对水上船舶用户对水下网络监测存在长延时和高费用问题,结合水声传感网特点和水上船舶常用VHF通信设备,采用嵌入式技术,提出一种面向水上船舶用户的水声传感网和水上VHF通信网的无线网关设计方案,对网关的软硬件系统进行设计。仿真结果表明,嵌入式网关实现了水声传感网和VHF通信网的互联互通,具有较高的理论与实际应用价值。

水声传感网MAC协议的研究进展

水声传感网因其广阔的应用领域和巨大的应用潜力,近年来已成为通信领域的研究新热点,MAC协议是水声传感网的重要组成部分。概述水声传感网MAC协议的研究现状,指出水声传感网的MAC协议大体可分为基于非竞争的MAC协议和基于竞争的MAC协议,并对不同类别协议的优缺点进行对比分析。针对现有各种协议在吞吐量、开销、信道利用率以及网络的扩展性等方面均存在优势和不足等,从如何更好地克服水声通信中的传播时延长、可用带宽有限、能量消耗大和移动性大等方面,提出更合理更实用的水声通信MAC协议将是该领域未来的重点研究方向。

一种用于水声传感网的MAC层协议

针对分簇的水声传感网,提出了一种基于时分多址(TDMA)的MAC层协议——ClusterTDMA。该协议主要由规划阶段和传输阶段组成。规划阶段,首先由网关节点规划能造成簇间干扰的子节点的传输,其次由各簇头节点分别规划本簇内其他子节点的传输;传输阶段,子节点根据规划表周期性地向簇头节点发送数据,这些数据最终汇聚到网关节点。该协议简单有效地解决了引起簇间干扰子结点的传输规划问题。C++仿真实验表明,该协议具有良好的吞吐率和能量效率性能。

基于MACAW的分簇轮转调度式水声传感网MAC协议

针对当前水声传感器网络长时延和低信道利用率的特点,改进传统的水声通信网MAC协议MACAW协议,设计出一种新型的分簇轮转调度式MAC协议CRD-MACAW协议。该协议通过网络初始化和网络动态更新对部署在网络中的传感器节点按照一定机制进行分簇,网络中的数据传输则分为簇内传输和簇间传输。簇内传输采用分簇时网络管理节点所分配的轮转顺序进行,节点与节点之间无需发送RTS帧和CTS帧;簇间传输则是通过各个簇首节点之间采用MACAW协议来进行的,最终网络数据汇聚到网络管理节点供分析使用。仿真结果表明,该协议与传统的MACAW协议相比,在网络节点增多、节点整体分布较为分散时,能够有效降低传输时延,提高信道利用率。

水声传感网络地理位置路由综述

水声传感网络是人类监控海洋的重要工具。综述了水声传感网络中基于地理位置路由的最新工作,描述了该类协议的所面临的问题,并着重对该研究开展以来所提出的重要路由协议进行对比、分析。最后展望未来的研究方向。

基于传播损耗门限的水声传感网路由协议

由于水声介质的各向异性,传统的基于节点位置和节点间物理距离的路由协议的能量效率在水声环境中会显著下降。针对水下通信组网节点能量有限和通信能耗高的特点,本文重新定义了水下邻居节点间基于传播损耗门限的邻接模型,并提出一种基于传播损耗门限的能量有效的路由协议。并进一步给出了最优传播损耗门限的理论值,以使得路由协议获得最低的能量损耗。最后,通过仿真对本文提出的协议和已有的协议性能进行了比较,结果表明基于传播损耗门限的路由协议有效考虑了水声介质各向异性特征,大大降低了通信能耗,性能明显优于已有的路由协议,且最优传输损耗门限理论值和仿真值非常吻合,进而为协议的工程实践提供了重要的指导意义。

水声传感网中基于网络编码的协作传输算法

为提高水下数据传输可靠性,本文在随机线性网络编码的基础上提出一种协作数据传输算法。首先,为源节点寻找数据转发链路,让数据通过多条链路进行转发;其次,使用网络编码方法对数据包进行编码,避免转发节点转发重复数据包;最后,对各个节点的数据包传输时隙进行调度,避免节点间信号冲突。仿真结果表明,本文提出的算法在一定程度上提高了网络信道利用率和数据传输可靠性,且具有较好的稳定性。

基于复合AUVs的水声传感网拓扑优化机制

为提高网络拓扑的健壮性和自适应性,基于拓扑重构思想提出基于复合自主式水下航行器的水声传感网拓扑智能优化机制来提高网络的连通性;进一步,在发现水声传感网拓扑结构形成的内在规律的基础上,提出三角淡化关键节点网络拓扑优化方法,该方法有助于提高网络抗毁再生能力.最后通过仿真实验对比分析验证了所提出机制的有效性,实验结果表明,在牺牲约8.5%覆盖度的条件下,抗毁性能提高约50%.

水声无线传感网中延迟敏感应用的跨层方案

在能量受限的水声无线传感网络中,为了满足不同业务的通信质量,提出了一个分布式的跨层方案,综合考虑传输层、网络层、物理层因素,延迟容忍的用户在传输层进行流量控制,并根据当前信道状态和网络层队列,通过Lyapunov优化和发射功率控制来进行资源分配,以保持整个网络队列稳定,满足网络公平性.仿真结果表明,此方案在满足延迟敏感用户服务质量(QoS)的同时,能够最大化延迟容忍用户的数量.

基于被动分簇的时间同步容错技术研究

在传统的时间同步容错算法中,簇内节点间的容错无法准确到整个传感器网络,簇间时间同步误差大,且分簇方式没有考虑能耗问题。针对以上问题,提出了一种基于被动分簇的时间同步容错技术。该技术采用被动分簇方式,节省了大量能耗。在被动分簇形成的水声传感器网络中,将布置区域划分为多个圆形的簇区域。在簇内节点间,正常节点与正常节点之间的时钟差异有一个上限,一个节点自身时钟的调整也存在一个上限。在簇头节点之间,根据簇内节点得到簇头节点间时钟差异存在上限。实验结果表明,相比于传统的时间同步容错技术,该方案减少了恶意节点的数量,提高了节点的利用率。由于节点之间同步时采用轮流广播的形式,该方案正常节点之间不会产生同步信息的碰撞问题。

一种适用于水下监测系统的多级调度机制

目前,对水下监测系统的研究主要集中于某个阶段的监测。针对水下监测系统能量受限的特点,提出一种适用于水下监测系统的多级调度机制。初始监测阶段在三维水下充分布置多个监测点,将需要监测的要素称为紧急因子,针对不同的监测要素设置不同的警戒值。同时,设置3种模式,对水下环境进行监测,以保证完成监测任务的同时,使传感器节点工作时间更长。

An Improved Underwater Acoustic Network Localization Algorithm

Underwater sensor network can achieve the unmanned environmental monitoring and military monitoring missions.Underwater acoustic sensor node cannot rely on the GPS to position itself,and the traditional indirect positioning methods used in Ad Hoc networks are not fully applicable to the localization of underwater acoustic sensor networks.In this paper,we introduce an improved underwater acoustic network localization algorithm.The algorithm processes the raw data before localization calculation to enhance the tolerance of random noise.We reduce the redundancy of the calculation results by using a more accurate basic algorithm and an adjusted calculation strategy.The improved algorithm is more suitable for the underwater acoustic sensor network positioning.