【摘 要】
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海洋资源的开发离不开水下通信网络的支持,但是海洋环境中的现场测试具有挑战性且成本高昂。单纯的网络软件模拟虽然成本低廉但是不能反映真实的硬件和信道特性,一般只适用在初期研究。基于硬件的水声网络仿真是从模拟到现场测试之间一种比较合适的过渡研究方式。为了提高硬件仿真测试的可靠性和高效性,应该最小化从软件模拟到硬件仿真的二次开发的工作量,需要硬件仿真平台提供一种支持从纯软件模拟到硬件仿真的快速切换功能接口
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海洋资源的开发离不开水下通信网络的支持,但是海洋环境中的现场测试具有挑战性且成本高昂。单纯的网络软件模拟虽然成本低廉但是不能反映真实的硬件和信道特性,一般只适用在初期研究。基于硬件的水声网络仿真是从模拟到现场测试之间一种比较合适的过渡研究方式。为了提高硬件仿真测试的可靠性和高效性,应该最小化从软件模拟到硬件仿真的二次开发的工作量,需要硬件仿真平台提供一种支持从纯软件模拟到硬件仿真的快速切换功能接口。基于以上研究背景,本文设计开发了基于多核水声调制解调器硬件和公有云平台组合的软件定义远程水声网络仿真平台SDR-Uan,并基于该仿真验证平台进行水声MAC协议的设计和验证。本文的主要工作如下:（1）本文设计开发了基于多核开源硬件的多核水声通信节点底层软件程序。本文基于开源ARM-DSP多核处理器AM5728的硬件平台,以及扩展的水声通信发射板和接收板,在ARM核和DSP核分别实现了模拟器协议进程、双核数据交互程序和移植DSP底层通信程序,实现了节点在水声信道下的数据收发传输功能。（2）本文开发了软件定义远程水声网络仿真验证平台SDR-Uan。在公有云平台部署经扩展的NS3模拟器、节点管理服务程序。公有云扩展的NS3支持模拟节点与真实水声调制解调器硬件节点建立映射;而节点管理服务程序同时管理模拟和真实节点,根据映射表进行数据包转发。整个系统完成模拟节点与真实通信节点的收发数据包的交换,从而实现NS3水声网络研究从模拟到硬件仿真的无缝切换。（3）本文提出了一种适合高业务负载的数据收集型水声网络改进MAC协议:MACA-EP协议,并基于SDR-Uan平台进行验证。该协议相比传统的MACA-BI协议有以下三点改进:一是由发送节点决定发包个数,节点获得发送邀请,可将发送队列中的多个包连续发出。二是每隔一段轮询时间,留出时段进行广播,以扩展新的数据源节点。三是引入轮询间隔动态调节机制。该机制根据实际收包数量,动态降低网络中的低速率节点的轮询频率,提高网络中高速率节点的轮询频率,剔除长时间未能传送数据的节点,以此提高轮询效率。该协议通过本文开发的SDR-Uan仿真验证平台进行模拟和仿真测试,与Pure-ALOHA、MACA、MACA-BI协议进行了对比,模拟和仿真测试的结果共同验证了该协议在业务量较高的数据收集型水声网络中有着较好的性能表现,同时该仿真测试也验证了SDR-Uan仿真平台系统的可行性和有效性。
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