面向水下滑翔机的MAC机制与时间同步研究

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近年来,由于水下滑翔机具有能量消耗小、工作时间长、航行距离远等特点,对于水下无线声学传感器网络(Underwater Wireless Acoustic Sensor Networks,UWASNs)的研究逐渐采用水下滑翔机进行。然而,由于水下滑翔机的位置变化,使得传播延迟不固定,导致水下滑翔机间通信可靠性下降。而传统水下媒体接入控制(Media Access Control,MAC)算法面向静态拓扑,不适用于动态变化的网络,因此,需要设计面向水下滑翔机的数据传输方法。本文针对由水下滑翔机组成的UWASNs,即水下滑翔机组网,设计了水下滑翔机组网的动态MAC机制和时间同步算法。水下滑翔机组网的动态MAC机制包括水下滑翔机位置预测和信道分配两部分。针对该机制的实现,设计了相应算法——Glider-MAC。此外,针对水下滑翔机数据传输可能受时间同步影响,本文结合动态MAC机制中水下滑翔机编队协作的方式,提出了水下滑翔机组网的组内时间同步算法——G-Sync和组间时间同步算法——联合多址接入的时间同步算法(TSMP)。前者进行时钟偏斜的计算补偿,来达到时间同步的目的,后者采用无信标节点的局部时间同步的方法来同步节点时钟。通过仿真实验分别对Glider-MAC、G-Sync和TSMP进行验证,仿真结果表明,采用Glider-MAC应用于水下滑翔机组网的通信中,能避免无效的发送行为,提高数据包投递率,与运动预测MAC(P-MAC)和预约MAC(R-MAC)协议相比分别提高了12%和25%。G-Sync和TSMP在同步精度方面具有良好性能,且TSMP在与环节分离的时间同步和多址接入相比,具有更高的能量效率。本文研究为实现水下滑翔机组网的良好数据传输,提供了一定理论依据和应用价值。
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