[發明專利]基于時空公平的水下傳感器網絡MAC協議實現方法

有效

• 申請號: 201310193617.5
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN103312697A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 熊書明;袁成;蘇遠;王良民;單田華;嚴軼鋒;關江輝
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06;H04B13/02;H04W84/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 羅敏

技術領域

本發明屬于水下傳感器網絡數據傳輸技術，具體是針對水下傳感器網絡水聲長傳播延時特性導致的時空不確定性，提出了響應最先請求水下傳感器網絡MAC協議（RFR-MAC）以實現時空公平性。

背景技術

隨著計算機技術、微電子技術以及通信技術的發展,水下傳感器網絡（Underwater?Wireless?Sensor?Networks，UWSNs）的相關技術也迅速發展起來,并且廣泛地應用于海洋數據采集、污染檢測、海上探測、災難預警、援助導航和戰略監測等方面。為保障水下數據的高效傳輸，MAC（Media?Access?Control）協議設計是水下傳感器網絡研究的一個重要方面，其對水下網絡流量和數據傳輸效率有直接影響，是保證水下無線傳感網絡高效通信關鍵基礎內容之一。然而，與傳統地面無線傳感器網絡使用無線電信號不同，UWSNs主要采用聲學信道通信方式，具有傳播時延大、通信帶寬低、誤碼率高等顯著特點。

針對水聲無線傳感網絡，Nitthita?Chirdchoo等人提出了改進的Aloha協議，該協議將Aloha與載波監聽策略相結合，節點利用短的預約幀競爭信道，并在預約幀中添加節點即將要發送數據的相關信息，其它節點通過偵聽信道獲得鄰居節點的發送信息，并以此計算出自己所用信道的繁忙時間，從而在這段時間內轉入休眠狀態；該協議雖然減少了能量的消耗，有著較高的網絡流量，但是其對于距離相對較遠的節點缺乏公平性，存在遠距離的發送節點先發送的信道請求，但是后到達接受節點，導致信道競爭失敗，預約信道缺乏一定的公平性。

R-MAC協議通過三階段數據交換機制分配信道資源，提高了在水下傳感器網絡介質訪問的公平性。節點在預約時隙內進行數據傳輸。協議首先確定節點間的傳播延時，再交換節點間的監聽/睡眠時間調度表，最后預約信道進行數據通信。R-MAC雖然考慮了預約信道的公平性，但是其采用的監聽/睡眠機制，導致網絡的吞吐量較低，不適用于密集型的網絡。A.Syed等人指出水聲信道的高時延特性帶來了信道競爭協議的不公平問題，并提出T-Lohi?MAC協議來解決此問題。但T-Lohi協議沒有考慮隱藏終端問題，使得協議的吞吐量比較低。

W.Liao等人針對節點對空間公平性問題提出了SF-MAC協議，采用RTS/CTS（reuest?to?send/Clear?To?Send)握手機制避免隱藏終端的問題，利用RTS競爭周期接受所有RTS請求幀，并使用概率準則來判斷可能最先發送RTS幀的節點，保證空間的公平性。SF-MAC協議采用的是固定RTS競爭周期，握手時長較長，嚴重影響了網絡的吞吐量。

發明內容

為了解決上述背景技術中水下傳感器網絡普遍存在的傳播時延大、通信帶寬低、誤碼率高等缺點；改進的Aloha協議中存在的預約信道缺乏公平性問題；R-MAC協議導致的網絡吞吐量較低，不適用于密集型的網絡問題；SF-MAC協議握手時長較長，嚴重影響了網絡的吞吐量等問題，本發明提出了一種基于時空公平的水下傳感器網絡MAC協議實現方法，該協議采用RTS競爭機制，使得節點能夠在時間上公平地競爭信道；直接使用RTS競爭機制，以響應最先請求的方式分配信道，有效提高吞吐量；添加BCTS（BeforehandCTS,BCTS）幀，有效避免了隱藏終端，提高了吞吐量；采用動態調整RTS競爭階段的時長的方法，提高網絡吞吐量。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：一種基于時空公平的水下傳感器網絡MAC協議實現方法，其中：

基于接收端的通信過程包括如下步驟：

（1）空閑偵聽：接收節點不斷監聽信道；

（2）RTS競爭：當接收節點捕獲到RTS幀時，進入RTS競爭階段，啟動RTS計時器，其時長為當前時刻到RTS競爭階段的結束時刻；在RTS競爭階段內，接收節點每收到一個RTS幀，根據其發送時刻確定當前最先發送請求的發送節點，如有更早發送的RTS幀則更新當前最先發送RTS幀的節點、RTS競爭階段的結束時刻以及RTS計時器的時長；

（3）CTS延遲：當RTS計時器超時時，接收節點進入CTS延遲階段，啟動CTS計時器，其時長初始值為最大傳播時長R/V(最大通信半徑R/水聲傳播速度V)；

（4）數據傳輸：當CTS計時器超時時，接收節點發送CTS幀，接收節點進入數據傳輸階段，并啟動接收計時器，其時長為兩倍的最大傳播時長2*R/V，如果在接收計時器的時間內，接收節點接收到數據包，則取消接收計時器，接收節點進入空閑偵聽狀態；當接收計時器超時時，接收節點進入空閑偵聽狀態；