[發明專利]一種基于S-FAMA的并發傳輸MAC協議的設計

在審

• 申請號: 202011365637.2
• 申請日: 2020-11-28
• 公開（公告）號: CN112383885A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 羊秋玲;董威;黃向黨;陳艷霞;劉敬科
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: H04W4/06
• 分類號: H04W4/06;H04W56/00;H04W84/18;H04B13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種基于S?FAMA的并發傳輸MAC協議的設計，主要包括下列步驟：建立系統模型：節點隨機分布在某一海域，在網絡初始化階段，各個接收節點通過信息交互獲知在其一跳傳輸范圍內發送節點的傳播時延；時間被分割成大小相等的時隙，時隙大小等于最大網絡的最大傳播時延加上數據包的傳輸時延，一輪通信一共分為四個階段：RST階段、CTS階段、DATA階段、ACK階段；根據發送節點到接受節點的傳播時延定義并發傳輸節點和并發傳輸節點集；發送節點首先向目標節點發送RTS包，網絡中的接收節點根據接收到的RTS包的信息確定可以并發傳輸的節點集，并將相關信息加入到CTS包中后廣播到網絡中，發送節點在接收到CTS包之后，判斷是否可以進行數據的傳輸。

技術領域

本發明屬于水下無線傳感器網絡通信技術領域，涉及一種水下無線網絡通信的MAC協議。

背景技術

水下無線傳感器網絡是近年來興起的一個研究方向，由于其在海洋資源探索、海岸防護、海洋環境監測等方面的實用性，水下無線傳感器網絡受到越來越多的關注。

水下無線傳感器網絡有著高延遲、低帶寬、誤碼率高、多徑效應嚴重等特點，這些特點毫無疑問的給水下傳感器網絡的設計帶來了巨大的挑戰。MAC協議是水下無線傳感器網絡設計中極為重要的一部分，MAC協議是一種信道接入機制，它對于網絡的吞吐量和端到端延遲等方面的性能有著很大的影響。由于水下無線傳感器網絡的特點，水下MAC協議的設計面臨著巨大的挑戰。傳統的MAC協議可大致分為兩類：基于調度的MAC協議和基于競爭的MAC協議。FDMA、TDMA、CDMA是三種典型的基于調度的MAC協議，但是由于水聲通信的帶寬小、同步難、“遠近”問題嚴重等一系列問題，導致這三種基于調度的MAC協議不適合于大規模的水聲網絡。基于競爭的MAC協議又可細分為基于握手的競爭性MAC協議和基于隨機發送的競爭性MAC協議。在基于隨機發送的MAC協議中，當節點的負載較大時，數據的碰撞概率會增加，從而導致網絡的性能下降。而基于握手的MAC協議中，節點在傳輸數據包之前則是通過發送較短的控制包去競爭信道的使用權，這樣可以避免數據包的碰撞，然而水下無線傳感器網絡的高延遲特點使得握手機制增加了網絡的開銷，而且傳統的基于握手的MAC協議的握手效率低，握手成功率也不高，這更加增加了網絡的額外開銷。Slotted-FAMA（一下稱S-FAMA）是一種比較傳統的水下基于握手的競爭性MAC協議，它采用RTS/CTS/DATA/ACK的方式進行數據的傳輸，它將時間分為大小相等的時隙，數據只能在時隙的開始進行傳輸，在一個時隙中，節點根據偵聽到的來自其它節點發送的包進行下一步的操作。

由于S-FAMA的傳輸規則不可避免的帶來了一些問題：

1、S-FAMA將時間分割成大小相等的時隙，報文在時隙的開始進行傳輸。當網絡負載較大的時候，會存在多個節點在同一個時隙的開始通過發送RTS控制包進行競爭信道的使用權，由于S-FAMA的傳輸規則，數據的傳輸可能不會有效的發生，而是向后推遲，而越往后推遲，有數據要傳輸的節點數就越多，多個節點在同一個時隙的開始發送RTS控制包這一現象就越嚴重，造成了一個惡行循環；

2、S-FAMA中的時隙的大小被設定為節點的最大傳播時延加上控制報文的傳輸時延，并采用RTS/CTS握手機制，由于水下通信的長時延的特點，時隙的長度是一個很大的開銷，而且RTS/CTS握手機制也會帶來巨大的時間開銷，此外，協議在一次成功握手中只允許一個節點進行數據傳輸，信道利用率低；

3、網絡存在嚴重的暴露終端問題。

發明內容

針對傳統的S-FAMA協議的不足之處，本文提出了一種基于S-FAMA的并發傳輸MAC協議，根據網絡的長傳播時延的特點，設計了一種并發節點選擇機制，接收節點根據接收到的來自各個發送節點的RTS包的信息計算得到一個并發傳輸節點集，發送節點根據接收到的來自各個接收節點CTS包中的并發傳輸節點集的信息選擇自身是否發送數據。技術方案如下：