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密级:_______________博士学位论文水声通信网络路由及MAC关键技术研究作者姓名：刘旬指导教师:张春华研究员中国科学院声学研究所学位类别:工学博士学科专业:信号与信息处理培养单位:中国科学院声学研究所2012年5月ResearchOnKeyTechnologiesofMACandRoutingProtocolforUnderwaterAcousticNetworkByLiu,XunADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSignalandinformationprocessingGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesMay,2012中国科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解中国科学院研究生院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照中国科学院研究生院要求提交学位论文的印刷本和电子版本；中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要随着人类技术的进步和对资源的需求，海洋开发越来越受到各国的重视。水声网络作为海洋开发的重要手段，受到研究者越来越多的关注。相比传统的海洋探测手段，水声网络能完成长期任务，而且水声网络有良好的自组织性，因而具有很好的鲁棒性，在海洋环境监测、灾害警报、海洋防御等方面都有广阔的应用前景。本文以水声网络的MAC层和路由层技术为研究重点。MAC层方面主要研究了结合MAC层的功率控制方法和吞吐量提升方法。路由层首先基于AODV协议设计了一种定向搜索AODV协议，然后针对一种典型的水声网络设计了一种负载平衡的中心式混合路由协议，并对路由层的能量均衡和拥塞问题展开了研究。最后，介绍了水声网络协议的设计流程和基于DSP的水声网络协议栈开发和测试过程。本文的主要研究工作如下：1.针对水声网络节能的需求，根据水声传播模型分析了水声通信中功率控制的必要性，设计了一种基于距离的功率控制方法，并将其应用到CSMA/CA协议当中，验证了其有效性。对信道起伏的影响进行了研究，提出了一种自适应反馈的功率增量控制方法。2.针对水声信道传播延迟高、MACA-U协议吞吐量受限的问题，分析了传播延迟对MACA-U协议静默时间的影响，设计了一种结合位置的G-MACA协议。G-MACA协议根据节点位置对MACA-U协议的静默时间进行了优化，从而显著提升了MACA-U协议的吞吐量。3.基于AODV协议，设计了一种定向搜索AODV协议。仿真结果表明，该协议能减少路由开销，提升网络吞吐量。4.针对一种包含网关节点、固定节点、移动节点的中心式水声网络，设计了一种混合式的路由协议。该协议通过采用随机延迟转发、主动请求更新保障了路由初始化阶段各节点建立起到Sink节点的有效路由；通过使用多路径路由更新和数据传输阶段的路径优化建立到达Sink节点的动水声通信网络路由及MAC关键技术研究II态的多路径信息，并通过选择负载轻的路径以保证网络的负载平衡；最后，针对移动节点设计了一种快速的路由接入方法，大大提高移动节点的接入性能。5.研究了水声网络的能量均衡问题，设计了一种能量和延迟约束的路由协议。该协议能有效平衡节点能量消耗，并在发生拥塞时，提前避开拥塞区域，降低数据包的端到端延迟。6.提出了一个水声网络协议栈设计流程，对流程中各个环节进行了介绍。设计了基于DSP的可扩展水声网络协议栈，并针对水声网络实际环境，对协议栈中的AODV协议和MACAW协议进行了改进。最后在半实物仿真平台、湖试、海试中测试了系统的性能。关键词：水声网络；MAC层；功率控制；路由协议；能量均衡ABSTRACTIIIABSTRACTWiththeadvancementofhumantechnologyandthedemandforresources,theoceanexploitationhasbeenpaidmoreandmoreattentiontobycountriesaroundtheworld.Asanimportantmeansofoceanexploitation,underwateracousticnetworkhasgotmoreandmoreattentiontoo.Comparedwithtraditionalmeansofoceanexploitation,underwateracousticnetworkcanbemorecompetentforthelong-termtask.Meanwhile,ithasgoodrobustnessbecauseofitsself-organization.Soithasbroadapplicationprospectsintermsofmarineenvironmentalmonitoring,disasterwarningandmarinedefense.Inthisthesis,wefocusonthetechnologyofMAClayerandroutinglayerinunderwateracousticnetwork.InMAClayer,themethodofpowercontrolandimprovingthroughputisstudied.Inroutinglayer,wefirstlydesignadirectedsearchAODVprotocolbasedonAODVprotocol.Thenacentralhybridroutingprotocolwithloadbalanceisproposedforatypicalunderwateracousticnetwork.Lastwestudytheproblemofenergybalanceandcongestioncontrol.Finally,adesignprocesureforunderwateracousticnetworkprotocolandthedevelopmentandtestingofaDSP-basedunderwateracousticnetworkprotocolstackareintroduced.Themainresearchworksareasfollows:1.Inviewofthedemandforenergyconservationinunderwateracousticnetwork,weanalyzethenecessityofpowercontrolinunderwateracousticnetwork.Thenwedesignadistance-basedpowercontrolmethodandapplyitintoCSMA/CAprotocol.Consideringtheimpactofchannelfluctuation,anadaptivefeedbackcontrolmethodisproposed.2.TosolvetheproblemofhighpropagationdelayandthelimitedthroughputofMACA-U,weanalyzetheimpactofpropagationdelayonsilenttimeandthenaprotocolusinglocationofnodescalledG-MACAisproposed.Thethroughputis水声通信网络路由及MAC关键技术研究IVsignificantlyimprovedbecausethesilenttimeisoptimizedaccordingtothenodepositioninG-MACA.3.BasedontheAODVprotocol,wedesignadirectedsearchAODVprotocol.Simulationresultsshowthattheprotocolcanreducetheroutingoverheadandimprovenetworkthroughput.4.Ahybridprotocolisdesignedforatypicalcentralnetworkwhichcontainsagatewaynode,manyfixednodesandfewmobilenodes.Itensuresthateveryfixednodehasaeffectiveroutetothegatewaynodeusingrandomforwardingdelayandactiverequestfornewrouteininitializationphase.Theneverynodeoptimizesitsmuti-pathtogatewaynodethroughmonitoringpacketssentbyneighborsandselectsthepathwithlowestloadindatagatheringphasetoachieveloadbalance.Inaddition,arapidwayofrebuildingrouteisproposedformobilenodetoimprovetheaccessperformanceofmobilenode.5.Theenergybalanceoftheunderwateracousticnetworkisstudiedandanenergy-balancedanddelay-constrainedroutingprotocolisproposed.Theprotocolcaneffectivelybalancethenodeenergyconsumption,avoidcongestedareaswhencongestionoccursandreducetheendtoenddelay.6.Adesignprocesureofunderwateracousticnetworkprotocolstackisproposedandthemodulesofitareintroduced.ThenaDSP-basedscalableunderwateracousticnetworkprotocolstackisdesigned.However,theAODVprotocolandMACAWprotocolaremodifiedtobemorefitfortheunderwateracousticchannel.Finally,thesystemistestedinthehardware-in-the-loopsimulationplatform,lakeexperimentsandseatrial.Keywords:underwateracousticnetwork;MACprotocol;powercontrol;routeprotocol;energybalance目录V目录摘要.....................................................................................................