水声通信网MAC层协议分析与仿真

利用OPNET软件进行了水声通信网的仿真试验,比较了两类MAC层协议-ALOHA及CSMA/CA协议在树形拓扑结构下的网络性能。仿真结果表明:在水声环境中ALOHA协议的性能要好于CSMA/CA,两者皆可以应用于低负载网络中。     

延迟利用的多节点协同预约式水声网络MAC协议

水声网络媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层为水声节点提供接入和冲突避免服务。由于水声信道面临着传播延迟高、带宽窄等困难,水声网络MAC协议的性能较低。文章在MACA-U协议的基础上,针对水声网络传播延迟高的特点,对信道预约的长等待时间进行利用,提出了一种RS-MACA协议。该协议在负载较低时与MACA-U协议兼容;在负载较高时,邻近节点可采用"并行发送"的方式发送,显著提高了吞吐量性能。发射节点在信道预约等待时间内,同时接受符合条件的邻节点的发送预约,邻节点不需要消耗额外时间进行信道预约。完成预约的节点按照时隙进行数据发射,避免了数据包的碰撞。NS3软件仿真结果表明,与MACA-U协议相比,改进后的协议吞吐量性能有明显的提升。     

基于WOSS的NS-Miracle水声信道模拟方法扩展

将世界海洋仿真系统（World Ocean Simulation System,WOSS）与声射线模型Bellhop结合并引入海洋噪声经验公式对NS-Miracle仿真系统的水声传输信道模拟方法进行扩展。为了验证扩展后的仿真系统,实验采用了基于水声信道特征经验模型、Bellhop射线模型及WOSS结合Bellhop射线模型的3种仿真方法对5个节点集中式拓扑结构的水下传感器网络进行了计算机仿真。结果表明,在相同的网络环境中,利用Bellhop信道仿真模型的两组实验的平均吞吐量、平均延时非常接近,而利用经验信道模型的第一组仿真得到的平均吞吐量和延时与后两组数据的差别稍大,三者的平均误包率非常接近。同时实验仿真了3个不同海域相同结构水下传感器网络的运行情况,分析引入WOSS后对仿真结果的影响。结果显示：在不同海域引入WOSS的系统仿真结果比未引入WOSS的系统仿真结果更具有实时动态性,扩展后的NS2/NS-Miracle仿真系统能够更准确地模拟实际水声网络的相关特性。另外,实验还利用扩展后的系统对ALOHA-CS、CSMA/CA和DACAP三种MAC协议进行了仿真和分析,结果显示,CSMA/CA协议相较于其他两种协议更适合集中式结构的水下传感器网络。     

低声能辐射下的两种水声跳频通信方法对比研究

水声信道是一个极其复杂的时变-空变-频变信道,因而进行水声通信,必须克服时变多途干扰等困难。将抗干扰能力强的跳频通信技术应用于水声通信领域,对于隐蔽性、保密性要求高的系统来说,该体制有着卓越的特性。在仿真环境下,对比研究了m序列和基于二维logistic映射的混沌序列的相关性、平衡性、功率谱特性、多址性等性能。构建了一种在低声能条件下的水声跳频通信系统,给出了系统编解码技术的实现方法。发射的帧信号由激活信号、同步信号、时延信号和三组(15,11)汉明码循环3次组成,采用了时间与频率的双分集技术进行纠错解码,从而增强了系统的保密性。通过外场试验,验证了利用m序列和混沌序列进行水声跳频通信的可行性,并对试验结果进行了对比研究。由于混沌序列的数量巨大且性能优异,非常适用于水声组网通信和保密性要求高的水声通信系统。因此,混沌序列在今后的水声跳频通信领域应有更广阔的应用前景。     

OFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究

针对基于功率域非正交多址接入（Power Domain Non-orthogonal Multiple Accesses,PD-NOMA）的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）水声下行通信系统的功率分配问题,提出了一种基于中断概率的功率分配方法。用户节点在系统初始化阶段根据源节点广播的组网数据包获取水声信道的统计特征,源节点根据水下用户反馈的信道特征参数建立水下用户的中断概率模型,以最小化两用户的中断概率和为目标建立目标函数,在中断概率区域边界上遍历搜索最优的功率分配系数。仿真结果表明,该方法在保证公平性的条件下,有效降低了用户节点的中断概率,提高了系统的频谱利用率和误码性能。     

水声通信与水声网络的发展与应用

水声信道是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一,其固有的时-空-频变以及窄带、高噪、强多途、长时延传输等特征,使水声通信和水声网络在性能上还难以满足人们在实际应用中的迫切需求,面临极大的技术挑战。介绍了水声通信与水声网络的特点和发展现状,分析了复杂多变的水声信道特点及水声通信所要解决的关键技术,包括调制、解调技术和信号检测技术;介绍了水声网络中的拓扑结构、多路访问、MAC协议和路由选择等方法。最后简要介绍美国Teledyne Benthos公司的水声Modem和美国海军的海网Seaweb网络及国内在此方面所取得的一些进展及应用前景。     

一种码分多址水声多用户接收系统

研究了一种水声异步多用户通信非集中式接收机系统,将码分多址和空时自适应滤波、多通道判决反馈均衡相结合,克服多用户系统中的多址干扰（MAI）以及水声信道多途效应引起的码间干扰（ISI）,实现指定用户的正确接收。利用实测多通道浅海水声信道响应函数进行了三个用户的异步通信仿真,分别比较了空时滤波均衡与单通道直接解扩、空间分集合并均衡等接收算法的性能,显示了空时滤波均衡接收机在抑制多址干扰、码间干扰、正确区分不同用户等方面的优点。码分多址机制和空时滤波均衡结合使用的特点使系统适合于低速数据传输且水声信道变化较慢的场合。     

水声通信网数据链路层协议仿真研究

简要介绍了水声通信网的研究现状和水声网络组网方式,提出一种比较适合于浅海的水声通信网数据链路层协议,并在NS2仿真器上进行了仿真研究。仿真结果表明,该协议在浅海声信道环境中具有一定的适用性,在低负荷情况下,此协议可以满足系统的要求。满负荷时网络的吞吐量出现降低的现象需进一步改进。     

分簇无线传感器网络的双时槽混合MAC协议

基于事件驱动的无线传感器网络应用,提出了一个基于分簇优化的低时延混合MAC协议--CHMAC.CHMAC采用双时槽传输调度和载波检测多路接入/时分多址接入(CSMA/TDMA)混合模式,采用适合分簇网络的时槽分配,优先保证紧急事件的最小延迟发送,并充分利用分簇网络的数据流特点,精细控制节点的侦听、睡眠以及传输功率,以提高能量有效性和网络吞吐量.理论分析和模拟试验表明,该协议能够以良好的适应性和健壮性在各种流量条件下均表现良好的性能.     

基于OPNET的分布式协议攻击的性能研究

目前,对水声网络协议干扰和攻击的研究大多采用单个节点的攻击方法。在此基础上,为提升攻击性能,研究了分布式协议攻击方法。通过OPNET仿真软件构建水声网络模型,采用不同的协议攻击方法对目标水声网络进行攻击仿真研究,包括单节点工作方式和多节点的分布式协议攻击。比较了不同的工作方式达到的干扰效果以及不同协议攻击方法的分布式攻击工作方式的干扰效果。结果表明,采用分布式协议攻击工作方式,在其他条件相同的情况下,目标网络吞吐量比单节点攻击工作方式多下降了5%以上,对水声网络的干扰效果更佳。     

Software architecture design,implementation, and evaluation of DCF-based MAC protocol on a low-power transceiver

The carrier-sensing multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) protocol is the most well-known medium access control (MAC) protocol for wireless networks. Both the distributed coordination function (DCF) defined in IEEE 802.11 and the MAC layer defined in IEEE 802.15.4 are based on the CSMA/CA protocol. Nevertheless, these two standards have quite different carrier-sensing mechanisms. Different to continuous carrier sensing in DCF, an IEEE 802.15.4 node only senses the channel once just after a backoff. Sensing-once mechanism can reduce the computation loading on the CPU. However, it significantly increases the probability of failure transmission because a node is not fully aware of channel activity. This paper first proposes a software architecture integrating proper hardware features for designing a DCF-based MAC protocol and then successfully implements it on a low-power transceiver. In addition, this paper conducts experiments in a star topology network to compare the performance of the above DCF-MAC protocol with the IEEE 802.15.4 MAC protocol. Experimental results show that, without continuous sensing, the IEEE 802.15.4 network suffers a high transmission failure probability as the network size increases. Consequently, the proposed DCF-based MAC protocol outperforms the IEEE 802.15.4 MAC protocol in terms of packet loss probability and throughput.     

水声宽带换能器匹配技术研究

低频宽带大功率换能器是现代水声发展的一项关键技术。换能器与功放匹配是宽带大功率水声发射的关键技术之一,本文对一种宽带大功率匹配匹配网络进行了设计分析,通过该匹配网络可改善宽带匹配效果,同时拓宽工作频带。文中还给出了一台功放驱动两只宽带换能器的匹配网络。     

HS-Sift: hybrid spatial correlation-based medium access control for event-driven sensor networks

Energy efficient dense wireless sensor network design makes extensive use of spatial redundancy and appropriate MAC mechanism. CSMA is integrated with TDMA while filtering out the spatial correlation with a so-called HS-Sift MAC protocol. The entire sensing region is divided into three sub-areas for different channel access methods. The nodes near to the border sleep most of the time, nodes close to the event claim high channel utilisation and those lie in between compete under different priorities. A software simulation verifies effectiveness of the proposed scheme for energy consumption and access delays.     

一种吞吐量稳定能量节省的MAC协议

数据链路层协议是水声通信网研究的一个重要内容。海洋水声信道的传输条件十分恶劣,是一个随时空频变、强多径干扰、长传输时延、高环境噪声、可用带宽非常有限的信道。传统的无线电网络协议不能直接应用于水声环境中。T-Lohi是为分布式、短距离、密集型网络设计的一种数据链路层协议。它采用唤醒信号来进行信道的预约,防止数据的碰撞。理论分析和仿真结果表明,对于分布式、短距离、密集型网络,T-Lohi能提供吞吐量稳定、能量利用率高的网络服务。     

ZigBee技术的汽车胎压监测系统设计

针对目前直接主动式汽车胎压监测系统处理器与射频芯片分开设计、433 MHz无线频率造成的系统体积大、无组网、抗干扰能力弱等关键技术问题,设计了一种基于无线传感器网络的直接主动式汽车胎压监测系统.其中系统采用ZigBee首款SOC单芯片CC2430,无线通信频率为2.4 GHz.软件设计上改进了ZigBee通讯协议CSMA/CA机制,这样既能有效避免各轮胎监测节点发送数据的冲突,又能降低系统能耗、延长网络寿命.该系统能够实时自动监测轮胎内部压力、温度等状态信息,从而有效地保障了汽车行驶安全.     

水声传感网中的高效调制解调器的设计

为适应水声传感网络节点密集、规模大、工作时间长的特点,提出了一种具有小体积、低成本、低功耗等特点的水声调制解调器。采用数字幅度调制2ASK调制解调方式,硬件使用低功耗设计方案,电池供电,使用市场上量产的收发一体式小型水声换能器,使功耗和成本得到大幅度降低。经实际测试,整机最大功耗为90 mW,数据传输速率为2kbps,具备代替市场上昂贵水声调制解调器的潜力,在水声传感网技术中有良好的应用前景。