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《武汉大学》 2016年
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水声局域网的接入协议与漫游切换机制研究

廖子龙  
【摘要】:水声局域网(Underwater Acoustic Local Area Networks,UA-LANs)是指在水下建立无线接入热点(Access Point, AP),通过声链路为水下局部区域内的自动装置、设备或站提供无线连接的网络。UA-LANs能广泛应用于海洋环境监测、海洋资源勘查与开发、防灾救援、国土防御等领域,并能在海底实验室和水下应急观测网络的构建中发挥重要作用。媒体接入控制、网络接入管理以及移动节点的漫游切换是UA-LANs的关键问题,是保证UA-LANs高效通信的决定性因素,严重影响着UA-LANs的性能。然而水声信道的低带宽、多径效应、随机变化的长延时、多普勒效应、高噪声背景等特性以及UA-LANs的应用特殊性,导致以上关键问题尚未得到有效解决。本文面向构建UA-LANs的需求,重点研究水声局域网的高效MAC协议、网络接入策略、自适应漫游切换方法等内容。本文首先针对由水声信道长延时、窄带宽等特性导致的信道利用率低问题,研究适用于一跳水声局域网的高效MAC协议,并提出基于握手的按序调度水下MAC协议。该协议把基于握手的信道预约机制与基于载波侦听按序调度的数据发送机制相结合,能有效提高水声局域网的信道利用率,降低对时间同步的苛刻要求,同时能够适应存在移动节点的网络场景。在一跳水声局域网的研究基础上,本文进一步对多跳水声局域网展开研究。针对因不合理的带宽分配导致多跳UA-LAN性能下降的问题,首先从带宽优化角度提出多跳水声局域网的系统分析模型。该模型不仅考虑节点间的干扰关系还考虑不同节点不同的传输需求,因此能够更准确地反映多跳水声局域网的特性。基于对网络的分析结果,设计适用于多跳水声局域网的基于流量调度的分布式水下MAC协议。该协议在规范多址接入过程的同时对网络的传输带宽进行优化,从而提高网络的传输性能。紧接着,针对水声局域网的网络接入管理问题,提出基于路径寿命及能量效率的多跳接入协议。该协议把网络接入过程划分为网络发现、中继路径选择、关联三个阶段,能实现水下节点以多跳方式接入水声局域网的功能,进而解决水下节点如何接入网络的问题。在中继路径选择阶段,提出基于路径寿命及能量效率的中继路径选择算法,能够有效延长网络的生存寿命。当UA-LANs中存在移动节点时,节点的移动性会使已接入网络的节点在局域网间漫游。因此,本文进一步研究移动节点的漫游切换技术。首先对浅海环境下节点的接收信号强度(Receive Signal Strength,RSS)变化情况进行分析。然后根据分析结果提出基于RSS变化趋势与历史接入信息的水下漫游切换协议,以实现水下移动节点在水声局域网间的自适应无缝漫游切换。最后,在理论方法与技术研究的基础上,对水声局域网原型系统进行研制,并开展验证实验。实验结果证实了本文提出的MAC协议、网络接入协议、漫游切换协议的可行性与有效性。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN929.3

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