面向小规模水声传感器网的时分多址MAC协议研究综述报告.docx

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水声传感器网（Underwater Acoustic Sensor Network, UASN）由许多水下节点组成，通常涉及距离远、环境严酷、复杂干扰等问题，同时为了有效地利用带宽资源，将协议协调分配是保证网络高效运行的重要手段。因此，设计适合UASN的时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）MAC协议，长期以来一直是学术界和产业界关注的热点问题。
本文对当前国内外学术界在TDMA协议方面的研究进展进行了综述，以感受在小规模水声传感器网络中的时分多址MAC协议的实现挑战和选择。
引言
在UASN中，水下节点带有多种类型的传感器，涉及水文学、气象学、生态学等多个领域。然而，与地面无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）不同的是，水声传感器网络受到水的折射和反射效果的影响，遭受了不良信道特征的影响，同时在物理层上还要解决一些困难的问题，如频率选择性衰减、刻度效应等。
在MAC层，低功耗、通信范围小、信道利用率低、频谱资源贫乏、信噪比低等因素对时分多址MAC协议的实现产生了问题。为了克服中断和频繁丢包等问题，TDMA是一个重要的解决方案。因此，TDMA协议在UASN中有着不可替代的作用。
TDMA协议原理
TDMA是基于时间信号控制的通信技术。在TDMA网络中，整个通信时段被分为多个同等大小的时间窗口，每个时间窗口被分配给一个节点，这个节点在这个时间窗口期间，独占一个数据通信信道，其它节点必须在对应时间等待或者拥有自己的时间窗口进行通信。具体基本概念，有以下几个：
时间帧：时间帧是一个始于第一个时隙和以最后一个时隙结束的固定时间窗口。时间帧的数量由总可用时间的大小和相邻时隙的间隔所决定。
时隙：时隙是一个固定时间段，在这个时间段内，一个时间帧中的信息被传输，并被一个或多个节点所占用。一个时帧中包含多个时隙，每个时隙的长度必须相等，且它们的长度是根据数据包大小被确定的。
TDMA优点：
。
，减少了不必要的信道冲突。
，能够根据应用程序的需求和需要定制通信自由度。
，是实现高度同步通信的重要手段。
TDMA缺点：
，频繁的时隙交换会占用比较多的时隙，导致信道资源利用率下降。
，对节点的同步和时钟精度要求更高。
，增加了通信过程的延迟。
目前的研究进展
1. 基于回收的WTDMA协议
基于回收的WTDMA（Reclaimed Window Time Division Multiple Access）是一种改进的时分多址MAC协议，是在研究WTDMA过程中在一些公共问题中提出来的。该算法在协议层提供多项服务：
（1）规定和分配节点的时间窗口和相应的时隙数量；
（2）最优地选择同步方案；
（3）通过请求网络协议管理数据通信。
2. 时间扫频联合TDMA
在小规模水声传感器网络中，时间扫频联合TDMA（TSF-TDMA）协议也是一种常用的通信协议。在该协议中，“时间”和“频率”两个维度被组合起来，利用时间上的多址技术和频带上的跳频技术，将整个网络划分为多个时间窗口，每个时间窗口都以一种完整的跳频序列为它分配了一个“频带单元”，每个频带单元又分配给不同的节点用于节点之间的通信。
这种协议的主要优点是充分利用频带资源，能够增加通信容量，优化功率分配，改善总能量效率。同时该协议还具有一定的抗噪能力，更好地适应了海洋中不可避免的强烈噪声场。
3. 基于序列重叠的TDMA协议
为了在TDMA协议中更好地解决节点同步问题，一种基于序列重叠的TDMA协议提出。该协议的特点是利用时序进行通信调度，将通信帧划分为基本数据单元，称为序列，同时当序列与时隙信息重叠时，进行信息传输。
在TDMA协议上加入序列重叠技术，可以使节点能够识别和捕捉所有序列信息，从而减少节点的接收延迟，并减少它们之间的同步度。同时，节点交流窗口长度的每个序列长度可以根据其确切的传输需求动态确定，提高了TDMA协议的灵活性和容错性。
结论
总体来说，TDMA协议对于规模较小的水声传感器网络具有重要应用前景，可以解决数据包丢失和时隙冲突等问题。目前在国内外提出了许多针对不同应用场景的时分多址MAC协议方案。这些协议基于不同的调制和信号传输技术，都旨在减少对水下节点的干扰，增加整体性能和网络健壮性。在实际应用过程中，应根据具体情况选择最适合的协议。