基于ALOHA多址协议的水声传感器网络仿真研究

在水声信道长时延扩展、强多径干扰、强烈随机时-空-频变等恶劣传输条件下设计水声传感器网络多址协议是一项挑战性极大的任务.本文对ALOHA多址协议下水声传感器网络的性能进行仿真研究,首先利用网络仿真软件Opnet建立了ALOHA水声传感器网络模型,并分析了节点数目、数据包产生的平均间隔、数据包帧长等网络参数对网络性能的影响.仿真实验结果表明:根据负载、节点数等网络参数对数据包帧长进行适当设置,将可优化ALOHA网络的吞吐性能.     

基于距离门限的水声网络自适应路由协议

针对水声传感器网络长时延和高能耗的问题,提出了基于距离门限的自适应路由协议ARBDT (Adaptive Routing Protocol Based on Distance Threshold)。该协议采用单路径逐跳信息传输方式,节省了路由开销;同时根据网络密集程度自适应地调整距离门限,抑制了冗余节点的回应,降低了控制包冲突的概率,使发送节点能快速获取转发节点。仿真结果表明,与SBR（Sector Based Routing）协议相比,ARBDT协议能缩短时延,降低网络能耗,从而获得更好的性能。     

基于异步MAC协议的WSN节点通信能耗模型的研究及应用

为进一步减小采用B-MAC协议无线传感器节点的能量消耗,对无线通信模块接收、发送、监听、休眠的电流消耗和时间特性进行了实验测试. 并根据异步MAC协议的特点,将网络负载参数进一步细分,引入节点发送间隔、接收间隔、每次发送字节数、每次接收字节数这4个参量,同时考虑节点接收信号时所处状态的概率建立通信能耗模型,并给出能耗模型的最优解析解,使得能耗参数在不同网络负载和收发间隔下达到最优. 实验结果表明,采用能量最优参数的B-MAC协议比普通B-MAC协议的能量消耗更少,明显减少了WSN节点在通信过程中能量的消耗,延长了节点的工作寿命.      

一种应用于多跳网络的可调占空比固定时延MAC协议

针对Ad Hoc网络、无线传感器网络等类型的多跳网络中使用传统的基于低占空比的MAC协议会使数据传输的时延随转发节点的增加而变大的问题,提出一种固定时延的MAC协议(FDS-MAC).该协议针对不同跳数的源节点,由汇聚节点通过改变占空比来设置合理的固定时延值并将其放在调度表中,源节点通过改变监听调度表的占空比达到固定时延的目的;当节点跳数较多时,可通过物理分簇配合FDS-MAC有效降低固定时延的值.理论分析和仿真结果表明,该协议可获得合理的固定时延和良好的耗能特性,在很多场景可获应用.     

水声通信信道中的OPNET建模与仿真

针对水声通信网络信道的实现开销大、复杂性高的特点,提出了一种能够仿真分析水声通信网络的有效方法.该方法分别使用OPNET中的Propagation-Delay-Stage,Receiver-Power-Stage和Background-Noise-Stage三个工具来仿真水声信道中的传播延迟、发射机功率和水声噪声(水声噪声包括紊流、船运、风波和热噪声).其中,Propagation-Delay-Stage采用MacKenzie速度模型;Receiver-Power-Stage中有Thorp,Schulkin&Marsh和Francois&Garrison 3种传播损失模型.在该方法中,首先仿真比较了取不同传播损失模型时的水声信道,然后根据仿真结果选择一个合适的水声信道,并采用MACAW协议来仿真水声通信网络.最后,通过仿真实验对整个水声通信网络的吞吐量、误码率、丢包率进行了分析.实验结果表明,采用该方法能够有效地仿真水声通信网络.     

Aloha-LPD:一种用于水声通信网的MAC协议

为了减小长传播延迟对水声通信网性能的影响,在传统Aloha协议的基础上,借鉴CSMA协议载波侦听的思想,提出了一种用于水声通信网的MAC协议Aloha-LPD.利用水声通信的长传播延迟,采用半双工的通信方式,增加节点等待ACK回复帧过程中接收数据帧的机制,使一个节点同时与多个节点无冲突地通信.通过OPNET建立仿真模型,分析结果表明,与传统Aloha协议和基于RTS/CTS握手的协议相比,Aloha-LPD协议能够提高网络吞吐量,减小网络的端到端延迟.水声传输信道的长延迟是水声通信网性能的一大瓶颈,但如果能合理利用,也能改善水声通信网的性能.     

混合MAC协议和流量分化服务质量的无线传感器网络智能算法

针对无线传感器网络(WSNs)中负载很大的情况下网络能量效率较低的问题,提出了一种基于MAC协议混合流量分化QoS的WSN智能算法。为关键或时延敏感的数据包缩减了时延,首先,通过使用智能CSMA和TDMA加强方法充分利用信道;然后,同时使用广播调度和链路调度,根据网络负载动态地从广播调度切换至链路调度从而获得最佳效率;最后,利用分散处理方法完成调度,即节点在本地使用时钟算法找到时隙,并为之分配。仿真实验验证了所提算法的理论思路及高效率,结果表明,适当的变化发射功率方式降低了能量消耗,并行发射的使用进一步降低了时延。     

基于水声网络的FAMA协议仿真研究

浅海水声信道的快衰落、长延时给水声网络媒介访问控制(MAC)层协议的设计和性能带来了较大的负面影响.为了提升MAC协议的吞吐量、时延等性能,着重对FAMA(Floor acquisition multiple access)协议进行了分析,并以通信网络仿真工具OPNET为仿真平台,得出该协议在吞吐量、时延和能量损耗三方面的性能结果.与目前水声网络主要采用的冲突避免多址接入(MACA)协议的仿真结果相比,FAMA协议能够取得较好的吞吐量和时延性能.     

一种保障时延能量高效的无线传感器网络路由协议

针对无线传感器网络的低能耗要求以及不同的应用需求,提出一种保障时延、能量高效的路由协议(DGEER).节点沿着最短路径发送时延敏感数据到目的节点,从而使其时延尽可能小;非时延敏感数据根据邻居节点的剩余能量、数据队列占空比和梯度关系来选择下一跳节点,能够在网络发生堵塞时避开网络热点以缓解拥塞.仿真结果表明:与传统的PRTR(potential based real-time routing)协议相比,DGEER协议能够在减小时延敏感数据网络延迟的前提下均衡网络能耗,延长网络生存周期.     

水声传感器网络节点自定位的遗传算法优化研究

水声传感器网络节点自定位技术是传感器网络在海洋环境监测应用的基础。针对质心算法在随机分布中定位精度较低的缺点,采用信标节点与未知节点之间的距离作为约束,并对该约束采用泰勒级数方式展开;由此建立相应的数学模型,通过遗传算法对该模型进行优化;此外,根据信号传播特点,采用的是等高线传输模型。仿真结果表明,该方法能够实现水声传感器网络未知节点的有效定位。     

Modeling and Simulation of P-Aloha,CSMA/CA and MACAW Protocols for Underwater Acoustic Channel

Medium access control( MAC) protocol of underwater acoustic communication network is a key technology for underwater acoustic networks( UANs). Most of the MAC protocols for wireless terrestrial communication networks have been designed with negligible propagation delay. If it is deployed directly in an underwater environment,the UANs will perform inefficiently. In this paper,the characteristics of underwater acoustic channel are modeled and simulated by using the OPNET simulation tool,which are the speed of sound, propagation loss, and four sources for ambient noise: the turbulence,shipping,wind driven waves and thermal noise. The performance of pure Aloha( P-Aloha),carrier sense multiple access with collision avoidance( CSMA / CA) and multiple access collision avoidance for wireless local area network( MACAW) protocols in underwater acoustic channel environment are evaluated. The different performance of protocols in underwater environment is compared in the simulation.     

Cooperative Nodes Localization for Three-Dimensional Underwater Wireless Sensor Network Based on Weighted Centroid Localization Algorithm

The underwater wireless sensor network(UWSN) has the features of mobility by drifting,less beacon nodes,longer time for localization and more energy consumption than the terrestrial sensor networks,which makes it more difficult to locate the nodes in marine environment.Aiming at the characteristics of UWSN,a kind of cooperative range-free localization method based on weighted centroid localization(WCL) algorithm for three-dimensional UWSN is proposed.The algorithm assigns the cooperative weights for the beacon nodes according to the received acoustic signal strength,and uses the located unknown nodes as the new beacon nodes to locate the other unknown nodes,so a fast localization can be achieved for the whole sensor networks.Simulation results indicate this method has higher localization accuracy than the centroid localization algorithm,and it needs less beacon nodes and achieves higher rate of effective localization.     

Attack Simulation Model and Channel Statistics in Underwater Acoustic Sensor Networks

In recent years,underwater acoustic wireless sensor networks have been used in many areas.There have been many field trials of acoustic propagation models and statistics for shallow water conditions.However,field trials are limited environmentally and,hence,not widely accepted.Simulations of the impulse response of a shallow underwater acoustic channel allows less expensive system tests that are reproducable.This paper presents a shallow water acoustic channel model based on the actual acoustic propagation ...     

基于压缩感知的水声传感网络通信方法

现有研究主要针对单个传感器节点发送数据的情形,传输效率不高,而多个传感器节点同时发送数据,可以提高传输效率,但存在用户数据之间的干扰.将压缩感知应用于水声传感网络中,提出一种可实现多节点同时传输数据的大容量协作通信方法,利用传感器节点数据的稀疏特性,将多个源节点数据同时传输等效为压缩感知中的测量过程,证明了多节点并发传输过程的传输特性可以满足压缩感知中的测量矩阵的约束等距性要求.目的节点通过重构算法,可以恢复多个并发传感器节点的数据.     

一种用于水声通信网的全动态TDMA协议

为了解决一定应用场合下水声通信网的通信效率和能量节省之间的矛盾,针对特定的网络拓扑结构,提出了一种全动态时隙调度的时分多址MAC协议FD-TDMA.该协议采用了动态往返调度方式、混合回复策略和保守的睡眠机制,网络各节点根据本节点及相邻节点的收发情况和已知的网络拓扑信息,动态并实时地更新自己在接收状态、睡眠状态和等待状态停留的时间,适时地进入自己的发送时隙.通过OPNET仿真表明:FD-TDMA协议与同样带有睡眠和混合回复机制的固定时隙TDMA协议相比,通信效率和能量效用均有显著的提高;并且该协议性能稳定,能适应不同的业务负载和网络规模.     

一种基于竞争的无线传感器网络低延迟MAC协议

SMAC协议周期性侦听和休眠的低占空比机制大大地降低了无线传感器网络的能耗,但却是以牺牲延迟和吞吐量为代价的。针对SMAC协议虚拟簇间调度不一致而导致的休眠延迟问题,提出并设计了一种低延迟协议LDSMAC,该协议采用全局同步机制使整个网络内的所有节点形成统一调度,保证了全网内的所有节点在相同时间激活,从而解决了数据传输中的转发停顿问题。仿真结果表明,相比于SMAC协议,LDSMAC协议在能耗略有增加的情况下,大大地降低了传输延迟,提高了网络吞吐量。     

浅海水声通信网的FH-CDMA方案研究

首先简要介绍了水声通信网的概念和设计要求，然后对水声通信网的多址技术进行了探讨，提出了一种稳健的、适用于浅海水声通信网的跳频码分多址(FH-CDMA)方案．通过对浅海水声信道进行建模仿真，并在此基础上构建网络仿真系统，分析并比较了FH-CDMA方案在不同传输条件下的水声信道中的性能．仿真实验表明：在浅海信道环境下该方案具有较强的适应性．