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第1章 水下传感器网络通信协议设计关键问题研究 1

1.1 引言 1

1.2 设计关键问题 3

1.2.1 与陆地传感器网络的差异 3

1.2.2 水下传感器 4

1.2.3 影响水下协议设计的因素 5

1.3 通信体系结构 8

1.3.1 二维水下传感器网络 8

1.3.2 三维水下传感器网络 9

1.3.3 自主水下航行器 10

1.4 介质访问控制层 11

1.4.1 基于CSMA的介质访问控制协议 12

1.4.2 基于CDMA的介质访问控制协议 12

1.4.3 开放性研究问题 14

1.5 网络层 14

1.6 传输层 17

1.7 结论 19

参考文献 19

第2章 水下声传感器网络的最佳分簇 24

2.1 引言与研究动因 24

2.2 预备知识 26

2.2.1 水声基础 26

2.3 最佳分簇 28

2.3.1 问题描述 28

2.3.2 随机布放的解决方案 29

2.4 仿真结果分析 31

2.5 结论 33

致谢 33

参考文献 33

第3章 三维水下无线传感器网络的拓扑控制 35

3.1 引言 35

3.2 问题描述 36

3.2.1 三维稀疏网络的拓扑控制问题 37

3.2.2 三维密集网络的拓扑控制问题 37

3.3 基础知识 38

3.3.1 多面体 38

3.3.2 空间填充多面体 38

3.3.3 Voronoi分割 39

3.3.4 开尔文猜想 40

3.4 稀疏网络的拓扑控制 40

3.4.1 与开尔文猜想的相似点 41

3.4.2 其他几种空间填充多面体 42

3.4.3 问题分析 43

3.5 密集网络的拓扑控制 47

3.5.1 分析 49

3.6 讨论 54

3.7 结论 56

参考文献 56

第4章 水下传感器网络的多路径虚拟汇聚节点结构 59

4.1 引言 60

4.2 水下组网面临的挑战 61

4.2.1 较长的时延及有限的带宽 61

4.2.2 噪声、高误码率以及传播损失 62

4.2.3 可靠性 62

4.2.4 能量及成本约束 62

4.2.5 多变的通信链路质量 63

4.3 网络结构 63

4.3.1 虚拟汇聚节点 64

4.3.2 多路径数据传输 64

4.3.3 多路径和重发机制的重定义 65

4.4 利用空间分散路径完成数据传输的分析 66

4.4.1 空间分散多路径（MP）路由机制 67

4.4.2 停止等待式自动重传（ARQ）的单路径（SP）路由机制 68

4.4.3 数值结果 70

4.5 数据传递机制的比较 75

4.5.1 MVS转发机制 75

4.5.2 向量转发机制 76

4.5.3 仿真和结果分析 77

4.5.4 总体分析 86

4.6 多路径虚拟汇聚节点结构的应用 87

4.7 结论及未来的工作 90

参考文献 91

第5章 ad-hoc网络和传感器网络容错性研究 93

5.1 网络容错性 93

5.2 抗毁Ad-Hoc网络的设计 94

5.3 一种抗毁性无线局域网结构 94

5.4 动态任务型任播 96

5.4.1 引言 96

5.4.2 基于任务图的架构 97

5.4.3 任务和任务图 98

5.4.4 数据流的元组架构 99

5.4.5 采用分布式算法的任务图节点实例 99

5.5 拜占庭容错机制——一种实用的方法 101

5.5.1 引言 101

5.5.2 算法描述 101

5.6 随机故障和设计故障——抗毁性和安全性的范式融合 102

5.6.1 引言 102

5.6.2 两类故障 103

5.6.3 问题式故障 103

5.6.4 范例转移 104

5.7 容错技术 105

5.7.1 实现移动ad-hoc传感器网络容错的动态源节点路由缓存管理 105

5.7.2 Ad-Hoc无线网络中的抗毁性路由协议 106

5.7.3 无线Ad-Hoc传感器网络中的容错技术 109

5.7.4 无线传感器网络中的容错问题 109

5.7.5 Ad-Hoc路由服务在对抗环境下容错性 113

5.7.6 移动Ad-Hoc网络中的容错性广播传输 115

5.8 容错机制的分布一致性 117

5.8.1 一致性问题综述 117

5.8.2 同步系统的一致性 118

5.8.3 概率一致性 119

5.9 结论 120

致谢 120

参考文献 120

第6章 传感器网络及水下传感器网络中的时间同步 124

6.1 引言 124

6.2 传感器网络中时间同步的必要性 127

6.2.1 时间同步的必要性 127

6.2.2 有线网络中的时间同步 129

6.2.3 有线网络与无线网络时间同步的比较 129

6.2.4 无线传感器网络时间同步协议设计中的挑战 130

6.3 时间同步的基本概念 131

6.3.1 两个节点的同步 132

6.3.2 多节点同步 133

6.4 传感器网络的时间同步 134

6.4.1 同步的时间戳 134

6.4.2 传感器网络的Tsync协议 134

6.4.3 全局同步 135

6.4.4 自适应时钟同步 137

6.4.5 延迟测量时间同步 138

6.4.6 参考广播同步 139

6.4.7 洪泛式时间同步协议 139

6.4.8 时分同步 140

6.4.9 基于时间间隔的同步 141

6.5 安全时间同步 142

6.5.1 安全对同步协议 143

6.5.2 安全机会多跳同步 144

6.5.3 安全指示多跳同步 144

6.5.4 安全传递多跳同步 144

6.5.5 组同步 144

6.5.6 安全网络同步 145

6.5.7 抗攻击同步 146

6.5.8 拒绝休眠攻击 147

6.6 水下传感器网络中的时间同步 149

6.7 结论 150

致谢 151

参考文献 151

第7章 水下网络MAC协议设计 155

7.1 引言 155

7.2 挑战1：传播时延 157

7.3 挑战2：能量消耗 163

7.4 挑战3：可移动性 165

7.5 结论 167

参考文献 169

第8章 分布式拓扑水下声网络的动态TDMA与基于MACA的协议 173

8.1 引言 173

8.2 拓扑结构 175

8.2.1 空间复用、信道化及信道分配技术 177

8.2.2 数据信道动态分配的一般协议模型 178

8.2.3 UAN对动态信道化及动态分配的需求 180

8.3 UAN中MAC协议的选择 180

8.3.1 静态TDMA、FDMA以及CDMA的一般等价性 181

8.3.2 CDMA、FDMA以及TDMA的优缺点 182

8.3.3 CDMA和FDMA协议对全双工的要求 183

8.3.4 对CDMA系统的进一步讨论 184

8.4 动态分配协议 186

8.4.1 动态TDMA协议以及基于MACA的协议 187

8.4.2 复用、拓扑结构选择以及IEEE 802.11的适用性 190

8.4.3 基于MACA协议的其他讨论 190

8.5 性能分析 193

8.5.1 算法概述 194

8.5.2 成功RTS传递的期望时间 194

8.5.3 CTS接收的期望时间 196

8.5.4 吞吐量期望 197

8.6 总结 198

参考文献 199

第9章 水下传感器网络的MAC层 202

9.1 引言 202

9.2 水下声传感器网络（UASN）的通信结构 204

9.2.1 两种结构类型 204

9.2.2 水下网络运行机制 205

9.3 水下声传感器网络MAC协议设计面临的挑战 207

9.3.1 水下通信信道 207

9.3.2 声传播的影响 207

9.3.3 水下协议设计的几点考虑 208

9.4 水下声传感器网络的MAC协议 209

9.4.1 关于水下MAC协议的最新研究 209

9.4.2 Tone Lohi MAC协议 210

9.4.3 时隙FAMA协议 212

9.4.4 一种用于水下无线声传感器网络的高能效MAC协议 214

9.4.5 用于水下声数据通信的改进MAC协议设计 215

9.5 水下声传感器网络中的路由协议 218

9.5.1 水下传感器网络时延敏感与时延不敏感应用中的三维路由算法 218

9.6 结论 220

致谢 221

参考文献 221

第10章 软件驱动水下传感器网络 225

10.1 引言 225

10.2 相关工作 227

10.2.1 水下网络结构 227

10.2.2 硬件调制解调器 227

10.2.3 软件调制解调器 228

10.3 软件驱动水下声传感器网络 229

10.3.1 网络综述 229

10.3.2 激发应用 230

10.3.3 目标平台 230

10.3.4 系统部件 231

10.4 维护考虑 235

10.4.1 防水和包装 235

10.4.2 校准 236

10.4.3 海生物附着 237

10.4.4 布放 237

10.5 结论 238

参考文献 238

第11章 具有智能、安全水声通信能力的低成本水下传感器节点的HW/SW协同设计 241

11.1 引言 241

11.1.1 陆上和水下传感器网络 241

11.1.2 水下通信关键问题 243

11.1.3 相关工作 243

11.2 系统结构——HW/SW协同设计 244

11.2.1 硬件设计 245

11.2.2 软件设计 251

11.3 系统测试 256

11.4 水下通信安全 258

11.5 总结和未来工作 260

致谢 261

参考文献 261

第12章 水下声传感器网络的信道建模 263

12.1 引言 263

12.2 背景 263

12.2.1 BELLHOP 263

12.2.2 相关工作 264

12.3 建模方法 265

12.3.1 环境文件生成 266

12.3.2 BELLHOP处理 269

12.3.3 到达文件分析 270

12.3.4 噪声分析 271

12.4 实例研究 271

12.4.1 环境文件的生成 271

12.4.2 BELLHOP程序的处理 276

12.4.3 到达文件分析与信道响应 279

12.4.4 噪声分析 280

12.5 实际应用 281

12.5.1 数字化的信道模型 281

12.5.2 仿真模型 285

12.6 总结 287

参考文献 287