基于协作的水声传感器网络 MAC 协议

基于协作的水声传感器网络MAC协议 汇报人：姚贵丹

目录背景 Motivation 3 目标和方法 4 协议设计

背景 • 陆地无线传感器网络MAC协议不能直接用于水下 • 1）延时大陆地上假设时延可以忽略冲突、碰撞，出现公平性问题，长延时隐藏终端问题 • 2）带宽小 ≤15kHz 如FDMA • 现有的水下MAC协议 • scheduled ：TDMA CDMA • contention-based：CSMA S-MAC STEM • UWAN-MAC T-lohi • 多关注能量效率、吞吐量，很少关注可靠性

Motivation 声波在水下传播时受到的影响：信道衰落信号传输的可靠性传输损耗吸收损耗多径效应

Motivation • 多径现象的产生： • 浅海环境，海底和海面的反射 • 声速随空间位置变化，海洋内部不均匀，产生折射 • 多径现象的影响： • 时延扩展码间串扰 • example B=5kHz 设同一信号的两条路径差15m 由奈奎斯特定理，码长≥0.2ms；两条路径的到达时间差：10ms；每个码字影响 10/0.2=50个码字

Motivation • 水下传输可靠性受到严峻的考验 • 提高可靠性方法： • 1) 纠错编码衰落严重时，作用有限 • 2) 增加发射功率干扰其他节点，能量受限 • 3) 空间分集技术简单

目标和方法 • 目标： • 设计一个MAC协议，对抗多径衰落提高数据包接收的成功率 • 方法： • 将协作通信应用于MAC层研究表明，协作通信技术可以提高无线信道的传输速率及传输可靠性，增加系统的覆盖范围和系统的鲁棒性。

协议设计——系统模型 时间同步 • 通信距离为r声音在水中的传播速度：v • 最大传播延时为Tmax=r/v • 协作区域内的节点可以参与协作 • 协作区域： • 实际中，能接收到 • 对应的RTS和CTS包 • 的节点

协议设计 • 协议主要分为三个阶段 • （1）信道预约阶段 • （2）数据传送阶段 • （3）协作阶段

协议设计——通信流程

协议设计——协作方式 • 协作方式 • AF 放大转发 DF 译码转发 CC 编码协作 • STCC 空时编码协作方式 • NCC 网络编码协作方式 • 选用DF CC、NCC、STCC 性能优于AF、DF，但算法复杂度高，涉及到了各种编码技术，中继节点信号处理的时间增长、时延较大相比于AF，DF可以在转发前消去高斯白噪声，DF优于AF 水下节点能量受限

协议设计——协作方式 • DF

竞争时间的设计 • 竞争时间是SNR的函数 f(SNR) • 其中，SNR=（SNRsr+SNRrd）/2 • 设 f(SNR)=α٠SNR+β • 设协作节点N1:SNR1，N2:SNR2，且SNR1>SNR2 • 满足两个条件1）SNR越大，f(SNR)越小 • f(SNR1) < f(SNR2) • 2）f(SNR1)+t12≤ f(SNR2) α<0 | α |≥t12/(SNR1-SNR2)

竞争时间的设计 • 取| α |=Tmax/(SNR1-SNR2) • 那么，α 取决于SNR1-SNR2， • 当SNR1-SNR2—>0,α —>-∞ • 所以，不能找到一个常数使条件2总成立 • 选用参数δ替代SNR1-SNR2 • α = -Tmax/δ • 令SNR最大的节点计时器为0 • -T1/δ*SNRmax+β=0 • β= T1/ δ*SNRmax

信噪比门限 • 全局参数SNRth • 信噪比条件很差，即使参与协作，也不会使接收的数据包的误码率有明显的改善。 • SNRth大小能耗与协作成功概率的一个权衡 • 1SNRth大，能耗小，成功概率增小 • 2SNRth 小，成功概率大，能耗大

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基于协作的 水声传感器网络 MAC 协议