摘 要

随着时代的进步和发展，人们逐渐开始对水下传感器网络展开全面的研究。水下传感器网络是一个全新的领域，由于水下环境的复杂多变性和未知性，水下传感器网络成为人们研究水下环境的重要手段与方式，它可以为各种水下作业提供强大的信息平台和技术支持，是人们开发水下环境资源的重要途径。在水下传感器网络中，MAC（Media Access Control）协议对水声信道资源的合理利用具有重要的作用，它是水下传感器网络研究中亟待解决的关键问题。

本文主要利用基于NS-2（Network Simulator, version 2）的Aqua-Sim网络仿真平台研究水下传感器网络MAC协议，本文的研究工作主要分为以下三个方面：

1、本文对水下传感器网络及水下MAC协议展开了全面的研究，在此基础上，本文对原有RMAC协议进行设计改进，使其能更好适用于水下传感器网络；

2、本文采用仿真平台Aqua-Sim进行水下模型构建及仿真，最大程度模拟了真实的水下环境；

3、根据模型仿真的结果，对改进前后的RMAC协议和BroadcastMAC协议的性能进行仿真分析，得出研究结论，所得结果对水下传感器网络的发展具有重要的指导意义。

研究结果表明：改进后的RMAC协议性能明显优于改进前的RMAC协议，同时，改进后的RMAC协议适用于对于能耗要求严格而对时延要求较低的网络场景中，同时更适合在高流量速率的网络中工作，而BroadcastMAC协议适用于对端到端时延要求较高而对能量消耗要求不大的网络场景中，在低流量速率网络中简单有效。

关键词：Auqa-Sim；水下传感器网络；MAC协议；仿真

Abstract

With the progress and development of the times, comprehensive research has gradually been transferred to the study of underwater wireless sensor networks. Underwater wireless sensor network is a new field. Due to the complexity and unknown of the underwater environment, wireless sensor networks have become an important method for people to study the underwater environment, and it is an important way for people to exploit underwater resources, at the same time, underwater wireless sensor network can provide powerful information platforms and technical equipment for various underwater operations. In underwater wireless sensor networks, MAC protocols play an important role in the rational use of underwater acoustic channel resources. It is a key issue to be solved in underwater wireless sensor network research.

In this thesis, the Aqua-Sim simulator which is based on NS-2 for underwater wireless sensor networks is used to study the underwater wireless sensor network MAC protocols. The research work of this thesis is mainly divided into the following three aspects.

Firstly, the underwater wireless sensor network and its MAC protocols have been comprehensively researched in this thesis. Based on this, the original RMAC protocol has been designed and improved in this thesis so that it can be better applied to the underwater wireless sensor network.

Secondly, a simulator which is called Aqua-Sim and used for constructing underwater model to simulate the real underwater environment has been used in this thesis.

Thirdly, according to the results of the model simulation, the performance of original and improved RMAC protocol and BroadcastMAC protocol have been compared and analyzed. The results have important guiding significance for the development of underwater sensor wireless networks.

The research results show that the performance of the improved RMAC protocol is obviously better than that of the original RMAC protocol. At the same time, the improved RMAC protocol is suitable for strict energy consumption and it is more suitable for working in a high traffic rate network scenarios. The BroadcastMAC protocol is applicable to network scenarios with strict requirements for end-to-end delay but not for energy consumption, and it is simple and effective in low-pass networks.

Key words: Auqa-Sim; underwater wireless sensor network; MAC protocol; simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 主要研究内容及目标 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 研究目标 4

1.5 本论文的章节安排 4

第2章 水下传感器网络及MAC协议研究 7

2.1 水下传感器网络 7

2.1.1 水下传感器网络特点 7

2.1.2 水下传感器网络面临的问题与挑战 8

2.2 水下MAC协议及分类 9

2.2.1 基于竞争的MAC协议 10

2.2.2 无竞争的MAC协议 10

2.2.3 混合型的MAC协议 12

2.3 本章小结 13

第3章 水下MAC协议改进与仿真建模 14

3.1 仿真思想及仿真流程 14

3.1.1 仿真思想 14

3.1.2 仿真流程 16

3.2 水下RMAC协议及其改进设计 17

3.2.1 原有RMAC协议 17

3.2.2 RMAC协议改进思想 17

3.2.3 改进后的RMAC协议 18

3.3 网络仿真模型构建 19

3.3.1 网络拓扑结构 19

3.3.2 建模流程图 20

3.3.3 仿真模型图 21

3.3.4 网络基本参数设定 22

3.4 本章小结 23

第4章 水下传感器网络模型仿真 24

4.1 仿真环境搭建 24

4.1.1 Linux操作系统环境 24

4.1.2 仿真工具及库文件构建 25

4.1.3 环境变量设置 26

4.2 模型仿真配置 27

4.2.1 水下节点配置 27

4.2.2 水下MAC协议配置 27

4.2.3 路由协议配置 28

4.2.4 物理层参数配置 29

4.2.5 天线模式设置 29

4.3 水下MAC协议仿真 30

4.4 本章小结 31

第5章 水下MAC协议仿真结果及分析 32

5.1 仿真性能指标 32

5.1.1 平均吞吐量 32

5.1.2 平均端到端时延 32

5.1.3 平均能量消耗 33

5.1.4 丢包率 33

5.2 协议仿真结果 33

5.2.1 改进前RMAC协议仿真结果 33

5.2.2 改进后RMAC协议仿真结果 34

5.2.3 BroadcastMAC协议仿真结果 34

5.3 仿真结果分析及结论 35

5.3.1 仿真结果分析 35

5.3.2 研究结论 38

5.4 经济性及环保性分析 40

5.4.1 经济性分析 40

5.4.2 环保性分析 40

5.5 本章小结 41

第6章 总结及展望 42

6.1 全文总结 42

6.2 研究展望 43

参考文献 44

致 谢 46

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着时代的进步与发展，日益紧缺的土地资源已经不能满足人们的需求，由于地球海洋几乎覆盖了其地表的70％，为了减少对土地资源的依赖，水下资源被认为是主要研究目标^[1]，因此，水下资源成为新的开发对象。水下传感器网络是研究水下环境的关键方式，它越来越受到网络研究界的关注，具有广阔的研究前景。在过去几年中，开发和使用水下传感器网络的趋势日益上升，传感器网络的发展能够有效改善海洋勘探和各种民用、军用水上应用的需求^[2]。

在水下传感器网络中，水下传感器节点通过自组织的方式形成网络^[3]，在一定区域内监测水下环境，进行数据传输等相关工作。在水下传感器网络中，传感器节点是随机动态分布的^[4]，它会随着海水的流动而移动，具有一定的移动速度，这决定了水下传感器网络的复杂性更高，很多现有的技术不能直接运用于水下传感器网络之中，大大增加了研究水下传感器网络的难度。

因为水下传感器网络主要使用声波作为通信介质，所以其与地面无线电传感器网络有一些不同。在水声通信中，声波速度为1500m/s，由于传播速度较低，所以在两个相邻节点通信之间都有较高的传播延迟^[5]。因为水下传感器网络需要覆盖海洋环境的很大面积，所以水下节点部署密度比较低^[6]，所以水下传感器网络的实施成本很高。在水下传感器网络中，采用水声通信会多方面地影响水下传感器网络中不同功能的设计，声信号所造成的误码率高、带宽受限、长时间传播延迟，在一定程度上影响了水下传感器网络中各种功能的实现。MAC协议是受到水下环境特性影响的协议之一，与地面网络相比， MAC协议的设计已经完全改变^[7]，MAC协议对于水下传感器网络的时延、能耗等性能都有非常大的影响。

1.2 研究目的及意义

水下传感器网络的研究对社会的发展具有重要的意义与价值。全球71%的面积都是海洋面积，而我国也有相当大的国土面积被海洋所覆盖，海洋所蕴藏的资源是无穷的，水下资源是有待开发的一个新领域，无论对于军用还是民用，海洋水下环境监测开发都非常重要^[8]。然而，由于水下环境的复杂性和多变性，且国内对于水下环境的研究起步较晚，所以人们对于水下环境的研究并没有取得较大的进展。

为了更好地研究水下环境与资源，水下无线传感器网络是一种重要的手段方式。由于水下传感器网络与传统的陆地传感器网络存在很大的不同，所以不能将传统陆地传感器网络的技术直接运用到水下传感器网络之中，这直接导致了水下传感器布网的未知性与冒险性^[9]。由于尚未有完全成熟的技术保证水下传感器网络的绝对可靠，同时很多技术都还处于摸索阶段，这大大提高了实际中水下布网的风险。同时，由于水下面积广阔，若要达到可靠监测水下环境的目的，则要求水下传感器网络的布网面积巨大，所需的传感器节点数目非常多，导致水下传感器网络的部署成本剧增，所以，对水下传感器网络的仿真研究尤为重要。

Aqua-Sim仿真平台能够最大程度模拟一个真实的水下环境，在该平台上能够模拟水下传感器网络，对水下路由层和MAC层协议进行仿真，而水下传感器网络的发展与水下MAC的发展息息相关，水下MAC协议直接决定了水声信道的使用方式，它是决定水下网络服务性能的关键因素之一，所以本文主要利用Aqua-Sim仿真平台研究水下传感器网络及水下MAC协议，通过对不同MAC协议的网络仿真，分析比较不同协议下网络的服务质量，得出研究结论。

1.3 国内外研究现状

在水下传感器网络中，MAC协议为各水下节点分配有限水声信道资源，由于水下传感器网络节点间采用声信道进行通信，声通信面临可用带宽低、信号延迟、延时抖动大、误码率高等问题。同时，考虑水下传感器网络的特点，其网络节点大多处于主动运动或受迫运动的状态，这也对水下传感器网络MAC协议设计带来巨大的挑战。

长期以来，为了促进水下传感器网络的发展，研究人员对水下MAC协议展开了多方面的研究。东南大学的王毅、高翔等提出了Aloha-LPD协议^[10]，它结合了Aloha协议和CSMA协议的工作思想，采用载波侦听的方式，大大提高了网络中的吞吐量。还有相关研究人员充分分析水下高时延对网络协议的影响，在Aloha协议的基础上，采用时隙保护的方式，有效降低了网络中高时延对MAC协议的影响^[11]。

对基于握手的协议在传感器网络中应用的一个最主要问题就是如何减少能耗。早期的S-MAC采用了周期性“监听-休眠”的方式在一定程度上减小了能耗^[12]，随后T-MAC在S-MAC基础上将固定周期改为可变周期，进一步将能耗减少^[13]，此后的Molins和Stojanovic提出的Slotted FAMA采用时隙划分解决了因为时延过大的问题^[14]。Peleato和Stojanovic在文献中提出了DACAP协议^[15]，该协议采用动态距离感知，大大降低了握手过程中的能量消耗。

还有相关研究人员为了减少数据传输过程中的能量消耗，提出在基于握手的MAC协议中，在满足一定条件的前提下采用最小能量传输数据包，而采用较大能量传输控制包^[16]，但是这种节能思想可能会造成数据传输时由于能量过小而其他节点无法侦听，进而造成数据传输的碰撞与冲突。还有研究人员提出利用握手协议解决无线网络多址接入当中的隐蔽终端问题，例如，Karn提出的MACA协议^[17]，在这类协议中，当某节点有数据要发送时，它将先行向通信对象发送请求发送数据包，当其通信对象接收到请求发送数据包后，会回送清除发送控制包，控制包的目的是通知所有通信范围内的邻居节点在未来一段时间内有数据包传输，并禁止这些邻居节点在未在一段时间内发送数据。

之后，针对水下传感器网络中节点之间同步难的问题，Xie和Cui提出了RMAC协议^[18]，RMAC协议利用节点之间的调度转换实现节点之间数据传输时间的相对性，各个节点根据邻居节点的数据传输时间来计算自己相对数据传输时间，这样每个节点都知道其所有邻居节点的数据调度表，进而实现数据传输之间的时间同步，有效减少数据传输之间的冲突与碰撞，降低网络中的丢包率。但是，RMAC协议的调度方式使得节点之间的传播延迟比较大，同时该协议的网络平等性也具有一定的不足。

T-Lohi协议是由Syed等人提出的^[19]，它能够有效改善水下网络中高传播延迟的问题。这种协议方式下，节点在数据传输时会预约信道，从而有效防止节点之间数据传输过程中的冲突，进而减少能量的消耗，节约能量。之后，在T-Lohi协议的基础上，Syed等人又提出了通过减少总消耗来提高系统利用率的想法，例如减少传输的控制分组数量^[20]。

总而言之，研究人员从各个方面对MAC协议进行了详细的研究使其能更好地适用于水下传感器网络，水下MAC协议对于水声信道的有效利用是十分重要的，不同机制的MAC协议适用于不同的水下传感器网络场景，各方面的研究能够有效促进水下传感器网络和水下MAC协议的发展。

1.4 主要研究内容及目标

在水声传感器网络中，MAC协议为各个节点的数据传输分配信道以实现水声信道的最大化利用。水下传感器网络的发展与水下MAC的发展息息相关，水下MAC协议直接决定了水声信道的使用方式，它是决定水下网络服务性能的关键因素之一，本文主要利用Aqua-Sim仿真平台研究水下传感器网络及水下MAC协议。

1.4.1 研究内容

本文通过研究使用Aqua-Sim仿真平台，主要围绕水下传感器网络和水下MAC协议展开相关研究，对原有MAC协议进行改进设计，同时仿真对比不同水下MAC协议的各方面性能，主要研究内容分为以下几个方面：

1.4.1.1 水下传感器网络与水下MAC协议研究与分析

（1）水下传感器网络研究现状分析，与传统陆地传感器网络对比分析以及其面临的问题与挑战；

（2）对水下MAC协议进行全面系统的研究，针对每一种水下MAC协议，研究分析其原理与特点；

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：