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基于协作的 水声传感器网络 MAC 协议 - PowerPoint PPT Presentation


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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

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Presentation Transcript

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
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


Motivation1
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


Motivation2
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——通信流程


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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