基于单控制包和数据包预测技术的水声传感器网络MAC协议关键技术的研究

The underwater acoustic sensor network (UASN) are wildly used in the resource reconnaissance, the environment monitoring and security guarantee of the sea. MAC protocol is the key technology of promising the transmission reliability and timeliness of data packets. However, the characters of UASN determine that the studies on the MAC protocol of UASN are challenging. Our researches on the MAC protocol of UASN include the following five aspects: (1) Establishing a mathematic model to describe the creation of data packets, on which a further model is established by both state transition probability and Markoff algorithm to describe the impact of time slot and control on the packet collisions. (2) Studying on the MAC protocol based on single control packet and packet transmission prediction to reduce the waste of limited acoustic bandwidth and the packet collisions; (3) The predication, based on lthe relatioship of nodes and Chaotic neural network, for data packet transmission is studied further to improve the prediction precision and to reduce the packet collisions. (4)The single control packet, data frame and the ACK packet can be used for clock synchronization to support the circle work of single control packet MAC protocol without external clock synchronization scheme. (5) there are errors of screw and offset in the clock synchronization based on the control and data packets of MAC, linear regression is used here to refine the screw and offset of a clock synchronization.

水声传感器网络在海洋资源勘测、环境监测和安全保证等方面具有广阔的应用前景。水声传感器网MAC层协议是保证数据及时、可靠传输的关键。水声信道的独有特点决定了它的MAC协议研究非常具有挑战性。我们初步打算在以下5个方面进行水声传感器网络MAC协议的研究：（1）建立数据产生模型，并在此基础上，利用状态转移概率和马尔科夫算法描述时槽划分和控制包加入对包冲突的影响；（2）研究基于单控制包和预测技术的MAC协议，利用单控制包获得必要信息，减少控制包对信道的占用；利用预测，减少包冲突；（3）研究基于节点临近关系和混沌神经网络的数据发送预测技术，提高预测精度，减少包冲突；（4）研究利用MAC协议的控制短帧、数据包和ACK响应包来进行时钟同步，消除单控制包MAC协议对外部时钟算法的依赖，支持MAC协议周期性工作；（5）时钟同步算法估算的频偏和相偏具有一定的误差，利用线性回归算法来减少误差，提高同步精度。

水声传感器网络在海洋资源勘测、环境监测和安全保证等方面具有广阔的应用前景。水声传感器网MAC层协议是保证数据及时、可靠传输的关键。因此，我们的研究以MAC协议为核心，以数据收集、网络安全、节点布放、定位技术以及水声传感器网络其它关键技术方面为扩展，进行了相关研究：（1）在水声传感器网络MAC层协议方面，我们提出了基于信念状态空间的MAC协议，基于时域干扰对齐的MAC调度方法，基于数据发送预测的单控制包的时槽MAC协议和基于动态信道协商的多信道介质访问控制通信方法等，在国内外发表文章2篇（SCI 1篇，EI 1篇），申请专利3项；（2）在水声传感器网络数据收集方面，提出基于移动边缘计算的数据收集算法，基于KM算法的最优数据包调度算法等，在国内外发表文章2篇（SCI 1区1篇，2区1篇），申请专利6项；（3）在水声传感器网络安全方面，提出基于信誉的共识算法，基于McEliece的安全纠错算法，传感云信誉评价机制等，在国内外发表文章9篇（SCI 2区1篇，SCI 3区5篇，EI 1篇），申请专利5项；（4）在水声传感器网络节点布放、定位技术方面，提出了基于最优和贪婪算法的节点布放技术，基于加权虚拟力模型的锚节点移动策略，基于移动信标的分布式水下网络定位方法等，在国内外发表文章5篇（SCI1区2篇，3区1篇，EI 2篇），申请专利2项；（5）此外，我们还在海洋环境立体监测系统，水下机器人控制系统，水下传感器网络时间同步等方面进行研究，申请专利5项。