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血&:丕堕水下传感器网络高效数据传输协议研究学位论文完成日期:指导教师签字:答辩委员会成员签字:
导师签字:易专恕支学位论文作者签名:然移套学位论文作者签名:浓砖签字日期:晗缭滤辍签字日期:劢,晗缭学位论文版权使用授权书独创声明麴遗查墓丝益噩挂别虚盟的:奎拦亘窒蚱渌逃沟难换蛑な槭签字日期:如∥年占月岁本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含未获得用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服务。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄊ娌\
水下传感器网络高效数据传输协议研究要诵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痓,水声信号的传播速度大约为痵,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⒙酚苫故强绮愦湫椋都未能完全克服水声通信面俚睦选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,目前以采用和技术的协议为主。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:减少能量的浪费醇跎倌芰康木韵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,包括基于的
楹突诟涸仄胶獾氖荽湫榈人惴ǎ咛宓难芯磕谌莅ǎ’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的混合椋篐,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协议,实现对网络负载的自适应。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突诮诘阕钣糯涓怕实男。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。针对大规模的、分簇管理的水下传感器网络,提出了改进的协议:.岣叽啬谕ㄐ沤锥蔚耐缌髁俊狹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。.褂蒙柚猛瞥偈奔涞姆绞轿=诘惴峙浞⑺褪奔洌痹黾恿吮;な奔以克服水下时延抖动带来的冲突问题。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协议:8眯榕灼车幕谑毕斗峙涞方案,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。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