基于CW-MAC的水声通信网络MAC协议的研究.pdfVIP

摘要

近年来，军事和民用对海洋资源开发的需求持续增长，水声通信网络在海洋资源勘探、

自然灾害预警、军事情报收集、海上军事防御等方面具有十分重要的作用。然而，与广泛使

用电磁波进行通信的陆地无线网络不同，水声通信网络通常部署在恶劣的环境下，具有传播

时延长、有效带宽窄、拓扑结构多变以及节点能量受限等特点，因此水声通信网络不能直接

采用适用于陆地无线通信网络的媒体接入控制（MediaAccessControl，MAC）协议。针对上

述问题，研究适合水声通信网络使用的MAC协议至关重要。

针对传统CW-MAC（ContentionWindow-MAC）协议随机选取节点竞争窗口（Contention

Window，CW）所导致的网络性能差这一问题，本文借助NS-3仿真软件搭建水声传感器网

络模型，采用控制变量法调整网络中的节点数目、数据包大小、通信速率、节点分布范围以

及仿真时间等参数，对CW-MAC协议进行模拟仿真，研究影响CW-MAC协议平均吞吐量的

参数。

针对传统CW-MAC协议中固定CW所导致的节点接入信道公平性差以及时延较大的问

题，本文提出基于网络拥塞程度的MAC（CongestionbasedContentionWindow-MAC，CCW-

MAC）协议。该协议采取CCW退避机制，根据CW将网络中节点争用信道的水平划分为

basic

激烈和缓和两个阶段，并在这两个阶段采取不同的二次曲线计算非线性的乘除系数来调整节

点的CW。结合理论研究以及仿真分析可知，CCW-MAC协议有效地提高了节点接入信道的

公平性，能够提高网络吞吐量并降低平均端到端时延。

针对水下传播时延大所导致的空窗期问题，本文提出一种基于传播时延的自适应变化竞

争窗口MAC（AdaptivevaryingContentionWindow-MAC，AVCW-MAC）协议。协议中采用

的AVCW随机退避机制根据各传感器节点到簇头的传播时延以及退避因子、这两个变

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量去差异化设置各个节点的CW。仿真结果表明，与传统CW-MAC协议相比，在传感器节点

数目相同的条件下，AVCW-MAC协议具有更高的网络吞吐量和更低的平均端到端时延。

关键词：水声通信网络，MAC协议，退避算法，传播时延，差异化竞争窗口，NS-3

Abstract

Inrecentyears,militaryandciviliandemandformarineresourceexploitationhascontinuedto

grow,andunderwateracousticcommunicationnetworksplayaveryimportantroleinmarineresource

exploration,naturaldisasterwarning,militaryintelligencecollectionandmaritimemilitarydefence.

However,unliketerrestrialwirelessnetworks,whichmakeextensiveuseofelectromagneticwaves

forcommunication,underwateracousticcommunicationnetworksareusuallydeployedinharsh

environmentswithlongpropagationdelay,narroweffectivebandwidth,variabletopologiesand

restrictednodeenergy,sotheycannotdirectlyadoptthemediaacc