网络科技论文发表浅析水声传感网MAC协议的研究
摘要：随着海洋探索和海洋军事的快速发展,水声传感网的许多新应用,如环境数据的收集与整理、污染的检测与控制、灾难的预报与预防、水下能源如水下石油和天然气的探测与开发,以及日趋激烈的水下军事竞争等已成为各国竞争的焦点[1]。近年来对水声传感网的研究已成为通信系统研究的新热点之一。相比无线信道,水声信道所处的环境十分恶劣,其与无线通信在诸多方面有着明显的差异。
首先,水声信号的传播速度大约在1 500 m/s,低于无线电波5个量级;其次,水声信道带宽十分有限,这导致了水声通信网的长传播时延和低比特率,从而给可靠、有效的通信协议的设计带来了巨大的挑战[2]。虽然水声通信近年来因受到高度重视,其发展极为迅速,已有很多关于水声传感器网络协议方面的探索,但是该领域起步较晚,其在实际应用中仍存在很多局限。例如,水下通信中因声学调制解调器使用的频率较低,严重限制了可用的带宽;由于多径衰落和长传播时延,使得水声信道严重受损,导致了其较高的误码比特率和经历临时的连通性损失;一旦水声传感器被部署便不能更换或者充电,这就要求节点的有效工作时间较长。
为了克服上述问题,必须设计出合适的MAC协议。由于水声传感网与无线传感网的特性存在巨大差别,不能将比较成熟的无线传感网的MAC协议直接应用到水声传感网。虽然近年来对水声传感器网络的MAC协议已有一些研究,取得了一定成果。但是,对相关研究的总结较少。为此,本文拟对近年来MAC协议的最新研究成果进行总结、归纳,并分析目前存在的问题,展望未来该领域的研究方向,旨在为我们和同行今后的工作提供必要的参考。
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1水声传感网MAC协议的研究现状
水声传感网是由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积的覆盖水下目标区域,可以对信息进行采集、处理、分类和压缩,并通过水下通信网节点以中继方式回传到岸基或船基的信息控制中心的综合系统。
当前,对水声传感网的研究主要集中在点对点的水下通信,而对组织网络方面的研究较少。虽然水声传感器网络与无线传感器网络有许多相似之处,例如,它们在网络节点中都配置了感知组件、数据处理组件和通信组件,但由于它们的环境条件和通信媒介的不同,2种传感网络的性能存在很大差异,主要体现在传播时延、功耗、内存容量和空间的相关性等方面。
因此,比较成熟的无线传感网的MAC协议不能直接用于水下水声传感网,这使得人们对水声传感网MAC协议的设计需求较为迫切。目前,海军在水下通信中采用的协议主要是基于避免冲突的载波检查多路接入协议(CSMA/CA),此协议主要靠RTS(requesttosend)/CTS(cleartosend)和数据包的交换来确保数据包的可靠传输。但是,由于水声传输的长时延性,使得CSMA/CA并不能较好地适应水声通信。随着数据量的增大,延迟会造成网络碰撞增多。
因此,传统的RTS/CTS数据包交换机制并不适用于水声传感网。而且,在物理层水声传感网也没有相似于香农理论容限的测量依据[3]。目前,水声通信MAC协议的研究主要有2个方面,一是定义合适的水下MAC协议容量测量方法,另一个是对协议本身进行改造。由于水声传感网通信的可用带宽受限,传输时延较长,水下传感器电量有限,因此,水声传感器MAC协议的研究重点主要集中在传输时延和能量的消耗问题上。
水声传感网的MAC协议大体可分为2类:一类是基于非竞争的MAC协议,包括FDMA,CDMA,TDMA以及它们的改良协议;另一类是基于竞争的MAC协议,主要有基于信道预留和握手机制等,包括ALOHA,CSMA,MACA及其改良协议。
2 基于非竞争的MAC协议
基于非竞争的MAC协议是不允许任何碰撞的协议[4]。适用于无线传感网络的基于非竞争的MAC协议主要是致力于同步整个传感网,但推广到水声传感网中则不切实际。基于非竞争的MAC协议的主要目的是把一个传感网从一个随机状态转换到一个稳定的状态,从而使碰撞次数减少。当前,水声传感网中的基于非竞争的MAC协议主要有基于TDMA和基于CDMA 2种形式。
2.1基于TDMA的MAC协议
在水声传感网中基于TDMA的MAC协议及其改良协议方面已有一些研究,其中比较典型的有ITDMA与WMAC。
基于竞争的协议一般不要求全局时间同步[11],它主要通过先侦听信道,然后竞争信道,在竞争成功的信道上进行数据的传输。基于竞争的协议的主要研究内容是解决包冲突的问题。此类协议主要有基于信道预留和基于握手机制两类。
3.1基于信道预留
基于信道预留就是通过控制信息来对信道竞争的1种预留机制,本文以典型的TLohi (tonebased Lohi)与RMAC(reservation based MAC)协议为例做具体介绍。
3.2基于握手机制
基于握手机制是指针对水声所采用的特殊的握手方式。本文以典型的MACAMN(MACA multiple neighborsbased)协议,RIPT(receiverinitiated packet train)协议以及Slotted FAMA(slotted floor acquisition access)协议为例来具体介绍。
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