[發明專利]一種基于狀態的水下傳感器網絡媒體訪問控制方法

有效

• 申請號: 201310235334.2
• 申請日: 2013-06-14
• 公開（公告）號: CN103298137A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 杜秀娟;黃科軍;蘭勝林;馮振興;柳凡
• 申請（專利權）人: 青海師范大學
• 主分類號: H04W74/08
• 分類號: H04W74/08;H04W52/02;H04J13/20
• 代理公司: 西寧金語專利代理事務所 63101
• 代理人: 哈慶華

技術領域

本發明涉及網絡通信技術領域，具體地說涉及一種水下傳感器網絡的媒體訪問控制方法

背景技術

水下傳感器網絡（UWSN）由于在環境監測、資源勘探、災害預防等具有廣泛的應用前景，引起了研究人員的極大關注。水下傳感器網絡采用水聲通信，水聲信道的高誤碼率、長傳播延時、低帶寬等特點使傳統地面通信協議無法直接應用于UWSN。與傳統調制解調器相比，UWSN聲學貓非常耗能；節點采用電池供電，在惡劣的水下環境中電池充電和更換都比較困難；由于價格昂貴，水下節點部署較稀疏，且大多數節點會隨著水的流動或其他水下活動而移動，隨著能量耗盡或硬件故障而失效，會導致UWSN拓撲動態變化，給UWSN的協議設計帶來巨大挑戰。介質訪問控制(MAC)協議的設計對網絡性能具有重要的影響，尤其是對低質量、高延時的信道系統。

MAC協議通常可分為兩類：基于競爭的協議和無競爭協議。基于競爭的協議包括隨機訪問和沖突避免兩種機制。在隨機訪問MAC協議中，發送節點不經過任何信道協調就發送數據，很容易產生干擾。基于沖突避免的MAC協議采用RTS/CTS握手機制協調發送和接收節點的信道爭用，解決了隱藏發送終端和暴露接收終端問題，在一定程度上避免數據包之間的干擾，在負載繁忙的網絡中其性能優于隨機訪問協議。但RTS/CTS的多次握手降低了信道利用率，由于握手機制造成的隱藏終端不能接收、暴露終端不能發送的信道閑置更是加重了低帶寬、高延時的UWSN網絡的負擔。

無競爭的MAC協議包括時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）技術。眾所周知，水聲信道的可用頻帶比較低，FDMA無法適用于UWSN；TDMA需要時間的精確同步，這對于高延時的UWSN網絡是個困難問題，且水聲信道需要長時間的偵聽，導致TDMA的效率低下。

CDMA允許在同一個頻段上并發傳輸，通過正交擴頻碼分離信號，減少了數據的沖突和重傳，提高了信道利用率，且對多徑效應和多普勒效應具有一定的彈性，因此在UWSN網絡具有較好的應用前景。在蜂窩網絡中，移動終端之間的通信需要通過廣泛部署的基礎設施-基站完成，CDMA使用基站為移動終端分配擴頻碼并協調信道訪問。這些方法不能用在多跳自組織UWSN網絡，CDMA在UWSN網絡中應用的一個關鍵問題是如何為每個節點分配擴頻碼。

無沖突的擴頻碼分配能夠解決隱藏終端的相互干擾問題。?此外節點仍需要一個媒體訪問控制協議進行實時通信。無線水聲收發器通常裝配單一信道，單一信道的節點工作在半雙工的通信模式，處在發送狀態的節點不能夠同時接收數據，基于CDMA的媒體訪問控制方案能夠實現多個節點并發地對同一接收節點傳輸數據的問題。但在半雙工通信的UWSN網絡，需要一種機制來避免給處于發送狀態的節點發送數據而產生的干擾問題。迄今為止的基于CDMA的自組織多跳分組網絡通常采用RTS/CTS握手機制確定節點是否準備好接收數據，且所有節點使用同一個擴頻碼來進行RTS/CTS交換，這種機制對于UWSN網絡應用存在較大的局限性。UWSN水下傳感器節點的數據產生率約為1-5bps，與傳統網絡相比，UWSN數據包小得多。有文獻指出UWSN數據包的最佳負載長度為100字節的量級，而RTS/CTS包長度為幾十個字節，與UWSN數據包相比并不是很小，因此RTS/CTS握手機制所帶來的收益并不明顯。相反，由于水聲通信系統的低帶寬、高延時、高能耗的特點，RTS/CTS握手機制大大延長了端到端的延時，降低了吞吐量，增加了能耗。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種基于狀態的水下傳感器網絡媒體訪問控制方法。該方法采用分層地、自上而下的擴頻碼分配方式。首先由sink節點為自己和第一層級節點分配一組無碰撞的擴頻碼，作為種子碼為后續的分布式碼分配奠定基礎。從第二層級開始，節點根據鄰居表構建本地分層拓撲圖????????????????????????????????????????????????，基于該圖進一步構建本地分層著色圖，基于本地分層著色圖和離散概率函數進行擴頻碼分配，使節點避免重復使用低層級兩跳鄰居節點的擴頻碼，同時也降低了兄弟節點之間重復使用擴頻碼的概率，實現多個發送節點對同一接收節點的并發傳輸。

節點通過偵聽信道中傳輸的數據或ACK幀頭信息動態維護鄰居表中一跳鄰居節點的實時狀態信息。當節點需要發送分組時，根據接收節點狀態信息決定是否進入傳輸階段，并決定具體的傳輸方式，避免向處在發送狀態的半雙工通信節點傳輸數據，避免了傳統RTS/CTS握手機制帶來的大延時和低信道效率等不足。