[發明專利]基于自適應競爭窗口ACCW-MAC協議的減少平均端到端時延方法

有效

• 申請號: 202310201912.4
• 申請日: 2023-03-06
• 公開（公告）號: CN116074890B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 郭永安;郭靜
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W28/02
• 分類號: H04W28/02;H04W74/08;H04W84/18;H04B13/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 田凌濤

1.一種基于自適應競爭窗口ACCW-MAC協議的減少平均端到端時延方法，其特征在于，該方法應用于準靜態傳感器網絡的水聲無線通信，基于水下各傳感器節點與簇頭節點的場景，實現各傳感器節點與簇頭節點間的通信，包括如下步驟：

步驟1：對水聲通信協議CW-MAC進行仿真，初始化全局傳感器節點的競爭窗口值CW_opt；

步驟2：利用測量往返時間法RTT計算全局傳感器節點中各傳感器節點與簇頭節點的傳播時延，通過鄰居發現協議將各傳感器節點與簇頭節點的傳播時延進行廣播；

步驟3：在廣播過程中引入ACCW機制，根據傳播時延的差異自適應地調整節點的競爭窗口CW，并在ACCW機制中引入退避因子K₁、K₂，在競爭激烈、過渡、競爭緩和三個階段動態地選取退避因子，從而為每個傳感器節點更新競爭窗口CW，實現各傳感器節點與簇頭節點間的通信；

步驟3具體包括如下步驟：

步驟3.1：引入兩個窗口閾值將網絡的競爭程度劃分為競爭激烈、過渡以及競爭緩和三個階段，的取值分別為32、128；

步驟3.2：ACCW退避機制中引入退避因子K₁、K₂，退避因子K₁的計算公式如下：

退避因子K₂的計算公式如下：

步驟3.3：按照ACCW機制的策略差異化調整各傳感器節點的CW，參照如下公式進行調整：

其中，i∈[1，n]，n為準靜態水聲傳感器網絡中的傳感器數目，其中，D_i為各傳感器節點與簇頭節點的傳播時延，D_ave為平均傳播時延。

2.根據權利要求1所述基于自適應競爭窗口ACCW-MAC協議的減少平均端到端時延方法，其特征在于，步驟1中，初始化全局傳感器節點的競爭窗口值CW_opt具體包括如下步驟：

步驟1.1：通過仿真軟件搭建準靜態水聲傳感器網絡模型，該網絡包含N個傳感器節點，隨機分布在以簇頭節點為中心的正方形區域內，每個傳感器節點都可偵聽到其他節點發送的數據包，設置傳感器節點發送的數據包、通信速率和仿真時間；

步驟1.2：計算平均吞吐量TH_ave：

式中，Num、PacketSize、t分別表示簇頭節點成功接受到的數據包數、數據包大小和仿真時間，PacketSize×8表示單個數據包的位數；

步驟1.3：在準靜態傳感器網絡中對CW-MAC協議進行仿真，傳感器節點CW值從10逐漸增加至400，找到使得該網絡平均吞吐量最大時候的CW，將其記作CW_opt；

步驟1.4：在驗證基于水聲傳播時延的自適應變化競爭窗口MAC協議方法時，選取和步驟1.2相同的準靜態水聲傳感器網絡模型，為每個傳感器節點初始化設置競爭窗口為CW_opt。

3.根據權利要求2所述基于自適應競爭窗口ACCW-MAC協議的減少平均端到端時延方法，其特征在于，所述仿真軟件為NS-3。

4.根據權利要求1所述基于自適應競爭窗口ACCW-MAC協議的減少平均端到端時延方法，其特征在于，步驟2中，利用測量往返時間法RTT計算各傳感器節點與簇頭節點的傳播時延，具體包括如下步驟：

步驟2.1：測量往返時間法RTT描述如下：首先節點S向節點R發送一個詢問包，并保存自己的發包時間t_send(S|T＝S)，其中T＝S表示在節點S的時間軸上，節點R收到詢問包后，記錄收包時間t_send(R|T＝R)，然后立即向節點S發送應答包，在應答包中添加接收詢問包時間和發送應答包時間t_receive(R→S|T＝S)這兩個時刻的時間戳，節點S收到應答包后記錄收包時間t_receive(R→S|T＝S)，通過兩節點收發時刻相減得出節點S和R之間的傳播時延，見如下公式：

其中，Ts、T_R為超時的兩個時間段；

Ts：t_receive(R→S|T＝S)-t_send(S|T＝S)；

T_R：t_receive(R→S|T＝S)-t_sena(R|T＝R)；

步驟2.2：參照步驟2.1的方法計算出準靜態水聲傳感器網絡中各傳感器節點到簇頭節點之間的傳播時延，該傳播時延的集合D＝{D₁，D₂，...，D_n}，則各傳感器節點到簇頭節點的平均傳播時延為：

其中n為準靜態水聲傳感器網絡中的傳感器數目；

步驟2.3：簇頭節點啟動鄰居發現協議，將平均傳播時延D_ave以及各傳感器節點與它的傳播時延D_i(i＝1、2、...、n)廣播通知全網；

步驟2.4：各節點根據D_ave和D_i采用相應策略改變CW，當D_i＜D_ave時，傳感器節點距離簇頭節點近，采用積極的發送策略，參考D_ave和D_i的比例減小當前節點的競爭窗口值，縮短節點的退避時間，使其快速發送數據；當D_i＞D_ave時，傳感器節點距離簇頭節點遠，采用保守的發送策略，增大當前競爭窗口值，按照預定的通信計劃監聽信道、等待發送數據。