[發明專利]一種基于馬爾科夫鏈的水聲傳感器網絡飽和吞吐量求解方法

有效

• 申請號: 201911162000.0
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110972162B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 雷磊;詹長健;黃加紅;李志林;沈高青;蔡圣所;張莉涓
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W84/18;H04L41/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于馬爾科夫鏈的水聲傳感器網絡飽和吞吐量求解方法。該方法采用離散馬爾科夫鏈對水聲傳感器網絡中節點競爭信道的過程進行數學建模。首先計算發送節點在同一個時隙內發送RTS控制幀競爭信道過程中，不會在接收節點發生重疊沖突的概率，用于分析節點發送數據的平均時隙長度和發送數據成功的概率；然后通過結合非空一步狀態轉移概率和歸一化條件，求解出了發送節點的傳輸概率和沖突概率；最后結合節點傳輸概率和沖突概率的表達式，求解水聲傳感器網絡飽和吞吐量的數學表達式。無線網絡仿真環境EXata中的仿真實驗證明了該方法的有效性。

技術領域

本發明屬于水聲傳感器網絡領域，特別涉及基于馬爾科夫鏈的水聲傳感器網絡飽和吞吐量求解方法。

背景技術

水聲傳感器網絡在海洋災害預報、海洋資源開發、海洋環境監測、水下搜救、輔助導航及水下目標探測等方面有著重要應用，近年來受到了研究人員的廣泛關注。信道訪問控制(Medium Access Control，MAC)協議處于水聲網絡協議的底層部分，負責分配節點之間有限的通信資源，是保證網絡高效通信的關鍵協議。因此針對水聲信道的特性，設計一種能夠有效提升水聲網絡性能的MAC協議是有必要的。

考慮到水聲傳感器網絡利用聲波傳遞信息，所以水聲節點不能直接接入外部網絡。因此水聲傳感器網絡需要一個可以通過聲波和電磁波傳輸信息的匯聚節點，該節點將水聲節點獲取的信息轉發至基站或衛星。因此對于水聲傳感器網絡末端數百米的近距離通信，即所有水聲節點將信息發送到匯聚節點的場景，水聲傳感器網絡MAC協議應當對此場景有較好的性能。

一種具體的水聲傳感器網絡MAC協議對這種水聲傳感器網絡末端數百米的近距離通信有著良好的性能，其具體運行步驟如下：

該MAC協議采用同步時隙機制，并假設所有節點都已完成時間同步。節點發送RTS/CTS/ACK等數據幀只在時隙的開始時刻發送，時隙的長度設置為CTS控制幀的長度加節點的最大傳播時延，保證所有節點都能在一個時隙內接收到RTS/CTS/ACK等數據幀。

步驟1：待發送數據的源節點檢測信道狀態，如果信道空閑至少持續一個時隙的時長，源節點進入退避狀態。

步驟2：將二進制指數退避法的退避窗口改為固定退避窗口，源節點采用固定窗口值退避算法進行退避，退避完成后采用RTS/CTS四次握手機制競爭信道。

步驟3：源節點會在時隙的開始時刻發送RTS控制幀，并忽略當前時隙收到的RTS控制幀。如果節點在兩個時隙內完成RTS/CTS握手，源節點在握手完成后發送數據，否則源節點會隨機退避幾個時隙，等待信道空閑，然后重傳數據。

步驟4：在接收到RTS控制幀后，目標節點記錄與RTS控制幀里的源節點MAC地址對應的待發送數據大小和傳輸時延，并根據傳輸規劃算法制定源節點何時發送數據的方案，然后將方案以及ACK幀的發送時刻添加到CTS控制幀，最后目的節點會發送CTS控制幀，告知源節點何時發送數據。

傳輸規劃算法如下所示：

將目的節點在一個時隙內成功接收RTS控制幀的個數記為n，然后以編號1～n表示源節點。源節點與目的節點之間的傳播時延表示為r₁≤r₂≤r₃......≤r_n，每個源節點對應的待發送數據幀大小表示為d₁、d₂、d₃......d_n，每個源節點發送數據對應的推遲時間表示為t₁、t₂、t₃......t_n，t_ACK表示為ACK幀應答的時間，δ表示為誤差修正值加節點狀態轉換需要的時間。