CN101729566B - 一种基于csma/ca的水声网络多址接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，所述的方法应用坚持等待步骤，具体包含：当节点处于等待接收CTS状态时，节点坚持等待相应的CTS，丢弃任何RTS，直到收到CTS或超时；如果节点侦听到不属于自己的CTS(xCTS)、DATA(xDATA)时，则进入静默状态，并相应设置网络分配向量(NAV)为值；当节点处于等待接收DATA状态时，节点坚持等待相应的DATA，丢弃任何其它帧，直到收到DATA或超时；当节点处于等待接收ACK(WF_ACK)状态时，节点坚持等待相应的ACK，丢弃任何其它帧，直到收到ACK或超时，还可以设置，自适应静默步骤，用自适应方式动态设置节点的静默时间。

Description

一种基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法
技术领域
本发明属于水声网络领域，具体地说，本发明涉及一种基于CSMA/CA的水声网络多址接入(MAC)方法，我们称之为UW-CSMA/CA协议。
背景技术
水声网络是在水声通信和网络技术基础上发展出的新兴技术。水声网络一般由若干节点构成，这些节点通过水声通信机交换信息，协同工作，自组成网。水声网络在海洋测量、资源勘探、灾害预报以及军事等方面具有广阔的应用前景。水声网络属于广播型网络，这种网络中，多址接入(MAC)协议确保使用一个广播信道的通信互不干扰，并且进行一定程度的差错控制，提高传输的可靠性，因此是网络中不可缺少的部分。
目前针对基于竞争的水声MAC协议的研究主要有基于Aloha和基于握手两种方式。基于ALOHA的协议无法摆脱在高负载时，碰撞概率大、吞吐量低的固有特性。目前基于握手的协议主要有基于MACA的水声MAC协议，但是MACA协议缺少确认帧，使得可靠性不高。
CSMA/CA协议使用握手方式，可以有效地减少碰撞；使用确认帧，提高了数据传输的可靠性；在高负载之下可以保持稳定的吞吐量。CSMA/CA协议的工作过程可以描述如下。两个节点正在传输数据时，邻居节点如果侦听到不属于自己的RTS/CTS/DATA(下文中用xRTS，xCTS，xDATA，xACK表示不属于自己的分组)，则根据实际情况设置自己的网络分配向量(NAV)，并进入静默状态，保证当前正在进行的通信不被干扰。
本发明涉及的英文简写及其中文译文如下：
CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多址接入；
RTS：Request To Send，请求发送；
CTS：Clear To Send，允许发送；
ACK：Acknowledgement，确认；
NAV：Network Allocation Vector，网络分配向量。
发明内容
本发明的目的在于，为克服基于ALOHA协议碰撞概率大、MACA协议可靠性低等缺点，从而在载波侦听多址避碰(CSMA/CA)协议的基础上进行改进，发明了一种基于CSMA/CA协议的水声网络多址接入方法，称之为UW-CSMA/CA协议。
一种基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，该方法针对处于通信中的节点用坚持等待策略提高系统的吞吐量，所述的通信中的节点包含等待接收CTS的节点，等待接收DATA的节点和等待接收ACK的节点，所述的坚持等待策略具体包含：
当节点处于等待接收CTS(WF_CTS)状态时，节点坚持等待相应的CTS，丢弃任何RTS，直到收到CTS或超时；如果节点侦听到任何不属于自己的CTS(xCTS)、不属于自己的DATA(xDATA)时，则进入静默状态，并相应设置网络分配向量(NAV)为值；
当节点处于等待接收DATA(WF_DATA)状态时，节点坚持等待相应的DATA，丢弃任何其它帧，直到收到DATA或超时；
当节点处于等待接收ACK(WF_ACK)状态时，节点坚持等待相应的ACK，丢弃任何其它帧，直到收到ACK或超时。
所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，所述的节点使用坚持等待策略，针对共享该传输介质的若干节点，所述的若干节点包含空闲状态节点，静默状态节点，退避状态节点和等待接收CTS状态的节点，还可以采用自适应静默策略，所述的自适应静默策略用自适应方式动态设置节点的静默时间，保证正在进行的通信不被干扰且提高信道利用率；
所述的静默策略，具体包含如下步骤：
当节点侦听到不属于自己的DATA时(xDATA)时，重新设置自己的网络分配向量(NAV)为QUIET_DATA；
当节点侦听到不属于自己的ACK(xACK)时，立即结束静默进入IDLE状态。所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，所述的QUIET_DATA
为：QUIET_DATA＝2τmax+Tack；
其中，τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tack为ACK帧的发送时间；
所述的IDLE状态，用于接收数据包。
所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，所述的方法，针对发送节点A和接收节点B的一次收发具体包含如下步骤：
(1)节点在空闲时，处于接收数据包的状态；
(2)如果节点接收到其他节点通信的RTS、CTS或DATA，则进入静默状态，并根据帧信息启动静默定时器；
(3)当节点A有数据要向节点B发送时，A首先对信道进行一段时间的载波侦听；
(4)如果A侦听到载波，则进行随机退避，然后重新尝试载波侦听；
(5)如果A在一段时间内检测到信道空闲，则向B发送RTS消息，并启动等待定时器，等待B回复CTS；其中，所述的定时器设置为：WAIT_RTS＝2τmax+Tcts；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tcts为CTS帧的发送时间；
(6)B接收到A发出的RTS后，发送CTS消息，并启动等待定时器，等待A发送DATA；其中，所述的定时器设置为：WAIT_CTS＝2τmax+Tdata；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tdata为DATA帧的发送时间；
(7)如果A在等待CTS的状态下超时，则A增大竞争窗口，进行随机退避，转到(2)；
(8)如果A在等待CTS的状态下侦听到其它节点通信的CTS或DATA，则进入静默状态，并启动静默定时器；
(9)如果A接收到B的CTS，则A减小竞争窗口，发送数据DATA，并启动等待定时器，等待ACK；其中，所述的等待定时器设置为：WAIT_DATA＝2τmax+Tack；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tack为ACK帧的发送时间；
(10)如果B在等待DATA的状态下超时，则转到(1)；
(11)如果B正确接收到A发送的数据，则发送ACK，并转到(1)，向上层递交数据，；
(12)如果A等待ACK的状态下超时，则进行随机退避，转到(2)；
(13)如果A收到B的ACK，则传输成功，转到(1)；
(14)如果节点在静默状态下侦听到其他节点通信的ACK，则立即结束静默，转到(1)。
为实现上述目的，UW-CSMA/CA协议基于CSMA/CA协议，并且对CSMA/CA进行了以下两点改进，这两点改进显著提高了协议在水声环境中的吞吐量。
1.坚持等待策略：当节点处于WF_CTS状态时，节点坚持等待相应的CTS。丢弃任何RTS，直到收到CTS或超时。但是，如果节点侦听到任何xCTS、xDATA，则进入静默状态并设置NAV为相应值；当节点处于WF_DATA状态时，节点坚持等待相应的DATA。丢弃任何其它帧，直到收到DATA或超时；当节点处于WF_ACK状态时，节点坚持等待相应的ACK。丢弃任何其它帧，直到收到DATA或超时。
2.自适应静默策略：当节点侦听到xDATA时，重新设置自己的NAV为QUIET_DATA；当节点侦听到xACK时，立即结束静默进入IDLE状态。其中QUIET_DATA＝2τmax+Tack，τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tack为ACK帧的发送时间。
本发明的优点在于，在水声环境高误码率、高传播延迟的条件下工作，和原始CSMA/CA协议相比显著提高了吞吐量，具有更高的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为CSMA/CA协议的握手时序图；
图2为本发明的示意图，其中，WAIT_RTS＝2τmax+Tcts，WAIT_CTS＝2τmax+Tdata，WAIT_DATA＝2τmax+Tack；
图2-a为处于IDLE状态的节点对外部事件的响应流程；
图2-b为处于CNTD状态的节点对外部事件的响应流程；
图2-c为处于WF_CTS状态的节点对外部事件的响应流程；
图2-d为处于WF_DATA状态的节点对外部事件的响应流程；
图2-e为处于WF_ACK状态的节点对外部事件的响应流程；
图2-f为处于QUIET状态的节点对外部事件的响应流程；
图3为本发明所使用的一种网络拓扑结构和路由表；
图4为不同数据分组长度下UW-CSMA/CA协议和CSMA/CA协议的吞吐量对比；
图5为不同通信速率下UW-CSMA/CA协议和CSMA/CA协议的吞吐量对比；
图6为不同误码率下UW-CSMA/CA协议和CSMA/CA协议的吞吐量对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，UW-CSMACA协议的握手过程，本发明的状态转移规则如下表1：
表1
Figure GDA0000128801000000051
其中，Qlo为本地静默时间，QUIET_RTS＝4τmax+Tcts+Tdata+Tack，QUIET_CTS＝3τmax+Tdata+Tack，QUIET_DATA＝2τmax+Tack；
图2及图2-a～f为根据UW-CSMA/CA的状态转移规则得到的协议软件流程图。图2为协议的整体流程，当事件发生时，根据当前的状态，分别进入相应的子模块进行处理。图2-a～f为六个子模块的流程图，分别表示处于IDLE、CNTD、WF_CTS、WF_DATA、WF_ACK、QUIET状态下，对外部事件的响应过程。
具体来说，一次数据传输的过程可以用(1)～(14)描述。协议的详细规则和流程附图3，以下为针对本发明的一次数据收发的详细步骤：
(1)节点在空闲时，处于接收数据包的状态；
(2)如果节点接收到其他节点通信的RTS、CTS或DATA，则进入静默状态，并根据帧信息启动静默定时器，如表1所示；
(3)当节点A有数据要向节点B发送时，A首先对信道进行一段时间的载波侦听；
(4)如果A侦听到载波，则进行随机退避，然后重新尝试载波侦听；
(5)如果A在一段时间内检测到信道空闲，则向B发送RTS消息，并启动等待定时器(等待B回复CTS)；
(6)B接收到A发出的RTS后，发送CTS消息，并启动等待定时器(等待A发送DATA)，如图2-a所示；
(7)如果A在等待CTS的状态下超时，则A增大竞争窗口，进行随机退避，转到(2)；
(8)如果A在等待CTS的状态下侦听到其它节点通信的CTS或DATA，则进入静默状态，并启动静默定时器，如表1所示；
(9)如果A接收到B的CTS，则A减小竞争窗口，发送数据DATA，并启动等待定时器(等待ACK)，如图2-c所示；
(10)如果B在等待DATA的状态下超时，则转到(1)；
(11)如果B正确接收到A发送的数据，则发送ACK，并转到(1)，向上层递交数据，；
(12)如果A等待ACK的状态下超时，则进行随机退避，转到(2)；
(13)如果A收到B的ACK，则传输成功，转到(1)。
(14)如果节点在静默状态下侦听到其他节点通信的ACK，则立即结束静默，转到(1)。
UW-CSMA/CA协议使用二进制退避算法，退避窗口大小CW按如下规则来调整：
Figure GDA0000128801000000061
Figure GDA0000128801000000062
Finc(x)＝min{CWmax，2x}
退避时间为
uniform{0，CW}·Tbk
uniform{a，b}表示a到b之间的服从均匀分布的随机整数，Tbk＝2τmax+Trts为退避时隙。
我们在图3所示的网络中使用该协议，在ns2中进行仿真试验。声速取1500m/s。25个节点形成5x5的正方形分布。网格间距为800m。节点最大通信距离为网格间距的1.75倍，即1400m。采用静态路由，图中的箭头表示数据包转发的路径。最外一圈的16个节点按照泊松分布产生定长的数据包，发给中心的节点，中心节点周围的8个邻居节点完成转发。
图4、图5和图6分别为不同数据分组长度、不同通信速率、不同误码率下UW-CSMA/CA协议和CSMA/CA协议的吞吐量对比。从中可以看出，在数据分组长度相同、通信速率相同、误码率相同的情况下，UW-CSMA/CA协议的吞吐量明显高于CSMA/CA协议，充分说明UW-CSMA/CA协议所做出的改进是有效的，在水声环境中能够显著提高吞吐性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，该方法针对处于通信中的节点用坚持等待策略提高系统的吞吐量，所述的通信中的节点包含等待接收CTS的节点，等待接收DATA的节点和等待接收ACK的节点，所述的坚持等待策略具体包含：
当节点处于等待接收CTS状态时，节点坚持等待相应的CTS，丢弃任何RTS，直到收到CTS或超时；如果节点侦听到任何不属于自己的CTS、不属于自己的DATA时，则进入静默状态，并相应设置网络分配向量值QUIET_DATA；
当节点处于等待接收DATA状态时，节点坚持等待相应的DATA，丢弃任何其它帧，直到收到DATA或超时；
当节点处于等待接收ACK状态时，节点坚持等待相应的ACK，丢弃任何其它帧，直到收到ACK或超时。
2.根据权利要求1所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，当节点处于空闲状态时，静默状态时或退避状态时，该节点采用自适应静默策略，所述的自适应静默策略用自适应方式动态设置节点的静默时间，保证正在进行的通信不被干扰且提高信道利用率；
所述的自适应静默策略，包含如下步骤：
当处于空闲状态的节点侦听到不属于自己的DATA时，重新设置自己的网络分配向量值QUIET_DATA；
当处于静默状态的节点侦听到不属于自己的ACK时，立即结束静默状态进入空闲状态；
当处于退避状态的节点侦听到不属于自己的DATA时，重新设置自己的网络分配向量值QUIET_DATA。
3.根据权利要求2所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，所述的网络分配向量值QUIET_DATA为：QUIET_DATA＝2τmax+Tack；
其中，τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tack为ACK帧的发送时间；
所述的空闲状态，用于接收数据包。
4.根据权利要求2所述的基于CSMA/CA的水声网络多址接入方法，其特征在于，所述的方法，针对发送节点A和接收节点B的一次收发具体包含如下步骤：
(1)节点在空闲时，处于接收数据包的状态；
(2)如果节点接收到其他节点通信的CTS或DATA，则进入静默状态，并根据帧信息启动静默定时器；
(3)当节点A有数据要向节点B发送时，A首先对信道进行一段时间的载波侦听；
(4)如果A侦听到载波，则进行随机退避，然后重新尝试载波侦听；
(5)如果A在一段时间内检测到信道空闲，则向B发送RTS消息，并启动等待定时器，等待B回复CTS；其中，所述的定时器设置为：WAIT_RTS＝2τmax+Tcts；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tcts为CTS帧的发送时间；
(6)B接收到A发出的RTS后，发送CTS消息，并启动等待定时器，等待A发送DATA；其中，所述的定时器设置为：WAIT_CTS＝2τmax+Tdata；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tdata为DATA帧的发送时间；
(7)如果A在等待CTS的状态下超时，则A增大竞争窗口，进行随机退避，转到(1)；
(8)如果A在等待CTS的状态下侦听到其它节点通信的CTS或DATA，则进入静默状态，并启动静默定时器；
(9)如果A接收到B的CTS，则A减小竞争窗口，发送数据DATA，并启动等待定时器，等待ACK；其中，所述的等待定时器设置为：WAIT_DATA＝2τmax+Tack；τmax为根据节点最大通信距离计算出的传播延迟，Tack为ACK帧的发送时间；
(10)如果B在等待DATA的状态下超时，则转到(1)；
(11)如果B正确接收到A发送的数据，则发送ACK，并转到(1)，向上层递交数据，；
(12)如果A等待ACK的状态下超时，则进行随机退避，转到(1)；
(13)如果A收到B的ACK，则传输成功，转到(1)；
(14)如果节点在静默状态下侦听到其他节点通信的ACK，则立即结束静默，转到(1)。
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