水下传感器网络高效数据传输协议研究
水下传感器网络在海洋观测、资源勘探和开发、灾害预报和潜艇探测等诸多民用和军用领域具有广阔的应用前景,近年来随着海洋经济的兴起和各国对海洋权益的日益重视,水下传感器网络已成为新的研究热点。
水下传感器网络的主要特点是采用声学通信方式。与传统的陆地传感器网络使用的无线电通信相比,水声信道具有通信带宽低、误码率高、传播时延大的显著特点。水下传感器网络的数据传输率一般不超过10k/bps,水声信号的传播速度大约为1500m/s,比电磁波低五个数量级,而水下传感器网络的通信链路距离通常为几百米甚至上千米,因此信号的传播时延达到秒级。水下传感器网络的数据传输效率和网络流量要远低于传统的陆地无线电传感器网络,并且受到能量消耗的严格限制,水下节点自身携带的电池难以更换。
水声通信的独特性质为设计高效的数据传输协议带来了挑战。目前已有的数据传输协议和算法,无论是介质访问控制(MAC)、路由还是跨层传输协议,都未能完全克服水声通信面临的困难。
介质访问控制协议分为竞争型和无竞争型两类,竞争协议需要同时考虑降低冲突概率和提高流量的问题,高时延的通信环境会大大降低载波监听和握手机制的流量,此外,冲突也会造成能量的浪费;无竞争协议的关键问题是设计高效率的、无冲突的信道分配方案,目前以采用TDMA和CDMA技术的协议为主。在水下传感器网络中,分布式算法是较好的解决方案,集中式分配算法虽然更易于设计,但其过度依赖于中心节点的调度,协议的灵活性不足并且会带来安全方面的隐患。针对水下传感器网络不同的应用需求,研究者提出了节点的数据传输跨层优化方案,跨层协议的设计不仅要考虑到信道分配、路由设计等问题,还应兼顾负载平衡,拥塞控制和节能等问题;水下传感器网络的节能包括了两方面的含义:减少能量的浪费(即减少能量的绝对消耗)和平衡节点的能量消耗,节点的能量消耗速率严重不平衡会导致大量节点提前死亡而破坏网络的连通性,使网络瘫痪,因此应通过平衡能耗来尽可能延长网络的工作时间。
本文针对水下传感器网络的特点和水声通信的独特性质,设计和研究了适用于不同场合的一系列水下传感器网络的高效数据传输协议,包括基于TDMA的MAC协议和基于负载平衡的数据传输协议等算法,具体的研究内容包括:
1)针对较小规模的、各节点共享信道的水下传感器网络,设计了一个基于随机竞争和TDMA的混合MAC协议:HCR,该协议结合了竞争协议和无竞争协议各自的优点,当网络负载较轻时使用时延较小的竞争协议,网络负载较重时则切换到流量更高的TDMA协议,实现对网络负载的自适应。
2)针对以海洋观测中的“温盐深”传感器链为代表的线形拓扑传感器网络,提出了两个平衡能耗的数据传输协议:基于节点能量等级划分的传输协议(OGN)和基于节点最优传输概率的协议(PBT)。两个协议都假定节点通过调节发送能量的方式来控制自己的发送距离,根据具体情况确定选择最优的下一跳节点,从而平衡网络中各节点的能耗,延长网络生存期。
3)针对大规模的、分簇管理的水下传感器网络,提出了改进的TDMA协议:CB-MAC,提高簇内通信阶段的网络流量。CB-MAC利用水声通信时延高的特性改进了成员节点到簇首节点的汇聚传输模式,提高簇首节点接收帧的效率。CB-MAC使用设置推迟时间的方式为节点分配发送时间,同时增加了保护时间以克服水下时延抖动带来的冲突问题。
4)针对大规模的、具有复杂拓扑结构的水下传感器网络,提出了基于连续时间分配的分布式TDMA协议:CT-TDMA。该协议抛弃传统的基于时隙分配的TDMA方案,节点使用基于连续时间的冲突状态图来刻画其局部拓扑结构,并使用启发式的优先级规则分配发送时刻,实现无冲突、高效率的数据传输。
5)对以上提出的所有算法和协议进行了全面的软件仿真,与已有的研究成果进行对比。通过仿真验证了本文提出算法的有效性,可靠性和性能。
本论文的目的在于设计和验证高效可靠,易于部署的水下传感器网络数据传输协议,克服已有协议的各种缺陷,对水下传感器网络的实际应用和推广具有重要的推动作用。
水下传感器网络;水声通信;数据传输协议;介质访问控制
中国海洋大学
博士
计算机应用技术
郭忠文
2011
中文
TN929.3;TN915.04
130
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）