CN102098113A

CN102098113A - 基于aloha和tdma的水声传感器网络mac层协议的实现方法

Info

Publication number: CN102098113A
Application number: CN2011100460001A
Authority: CN
Inventors: 高翔; 方世良; 李霞; 李启玲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: CN102098113B

Abstract

本发明提供一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法。该方法基于传统TDMA机制，按时隙划分时间，采用半双工的通信方式，利用水声通信的长传播延时特性和信道的空间复用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未与主节点握手成功且未收到任何CTS帧的其他节点可以用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待信息和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，以实现一个节点同时与多个节点通信，提高了网络吞吐量，同时降低了网络端到端延迟。本发明适用于水声传感器网络及其它长传播时延通信网络，易实现，具有较高的实际应用价值。

Description

基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术

TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址），是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

网络吞吐量和端到端延迟是体现网络性能的基本技术指标，传统TDMA协议在网络负载较低时，会出现某些节点可能在其时隙期间无数据可发，而其他节点又不能利用该时隙，导致时隙的浪费，降低了网络吞吐量，增加了端到端延迟。其原因是忽略了信道的空间复用性。

ALOHA协议是指随机访问或者竞争发送协议，随机访问意味着对任何基站都无法预计其发送的时刻，竞争发送是指所有发送的基站自由竞争信道的使用权。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是针对上述缺点，提出一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，充分利用水声通信长传播时延和信道的空间复用性。在传统TDMA协议的基础上增加ALOHA竞争机制，并利用水声通信的的长传播延迟特点，增加了节点在等待确认信息和数据发送失败延迟发送过程中接收数据的方法，有效提高了网络吞吐量，降低数据的端到端延迟。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，利用信道的空间复用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未收到任何CTS帧的其他节点可以用适用于水声通信的ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，获取多个节点的信息。具体包括如下步骤：

步骤A，网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；

步骤B，节点判断时隙归属，根据时隙是否属于自己进行下一步动作；

步骤C-1，当时隙是本节点的主时隙时，若有DATA帧需要发送，先在RTS段发送RTS帧，在CTS段收到目的节点回复的CTS帧后，在DATA段发送各DATA分帧，并等待回复的ACK帧；

步骤C-2，如果本节点在CTS段没有收到目的节点回复的CTS帧，此次预约主时隙失败，再次在RTS段发送RTS帧，发送次数计数器 + 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；

步骤C-3，如果本节点在ACK段收到目的节点应答的ACK帧，根据ACK帧的内容判断各DATA分帧接收成功与否，若有发送失败的DATA分帧，则重新发送该DATA分帧，发送次数为计数器 + 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；

步骤C-4，如果本节点在ACK段没有收到目的节点应答的ACK帧，则重新发送DATA帧，发送次数为计数器 + 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；

步骤D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先进行侦听：

D-1，若在RTS段收到发给本节点的RTS帧，则在CTS段回复CTS帧，在DATA段接收数据后，在ACK段回复ACK帧；

D-2，若在RTS段没有收到发给本节点的RTS帧，且在CTS段没有收到任何CTS帧，则本节点进入ALOHA竞争机制：

D-2-1，当本节点有DATA帧需要发送，先随机等待一点时间以避免碰撞，发送前查看本节点是否处于接受状态，若是，则推迟发送，直至本节点未处于接受状态，再发送DATA帧；

D-2-2，当本节点处于发送状态中时，若有帧到来，本节点将不接收该帧；

D-2-3-1，如果本节点在预设时间内收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发送成功，若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙，若此时该时隙已要结束，则进入下一个时隙；

D-2-3-2，如果本节点在在预设时间内没有收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发送失败，则重新发送DATA帧，发送次数为计数器 + 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙，若此时该时隙已要结束，则进入下一个时隙。

进一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法的步骤C-1中，本节点在其主时隙发送完DATA帧后，在等待目的节点回复的ACK帧期间，如果又收到了其它节点的DATA帧，则判断该帧是否是在

_A–T _DT前到达本节点；

若是，则接收该帧并回复ACK帧，然后继续等待未到达的ACK帧；

若否，则不接收该帧；

其中，

_A时刻代表ACK段的起始时刻，T _DT代表目的节点接收本节点的DATA帧需要的传输时间。

进一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法的步骤D-2中，当本节点在

时刻发送DATA帧，在等待回复的ACK帧期间，又有其他节点发送给本节点的DATA帧到来，能够接收到来的DATA帧的条件是：该DATA帧的到来时刻不能迟于t + 2 T _PT –T _AT，其中T _PT代表DATA帧的从本节点到目的节点的传播时间，T _AT代表目的节点接收本节点的ACK帧需要的传输时间。

本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

传统TDMA协议没有利用信道的空间复用性，在网络负载较低时，导致时隙的浪费；本发明利用了信道的空间复用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未与主节点握手成功且未收到任何CTS帧的其他节点可以用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，以实现一个节点与多个节点同时通信的方法。

概括起来优点如下：

1）利用信道的空间复用性，未与主节点握手成功且未收到任何CTS帧的节点可以在其他节点的主时隙内用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，以实现一个节点与多个节点同时通信的方法，较传统TDMA协议方法具有更高的网络性能；

2）通过数学推导，给出了节点在等待确认信息和数据发送失败延迟发送过程中接收数据的时间约束条件，为工程实现奠定了理论依据；

3）本方法具有较好的可实现性。

附图说明：

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明的帧结构框图。

图3是协议拓扑结构示意图。

图4是仿真采用的网络拓扑结构图。

图5是三种协议下网络平均吞吐量随平均负载变化的对比。

图6是三种协议下低负载时网络平均吞吐量随平均负载变化的对比。

图7是三种协议下网络平均端到端延迟随平均负载变化的对比。

具体实施方案:

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明针对水声传感器网络的通信特点，利用信道的空间复用性和长传播时延特性，增加ALOHA机制竞争其他节点的主时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，实现一个节点与多个节点同时通信。

实施例1

如图1所示，本发明包括如下过程：

1 ．推导节点在主时隙发送数据后等待确认回复帧ACK的过程中能够接收其他节点数据帧的时间限制；

假设节点A和节点B，节点B和节点C之间的距离设为

Figure 2011100460001100002DEST_PATH_IMAGE003

，单位为；载体传播速度，单位为

；网络的数据率为

Figure 2011100460001100002DEST_PATH_IMAGE007

，单位为

；数据帧（DATA帧）长设为

Figure 2011100460001100002DEST_PATH_IMAGE009

，应答帧（ACK帧）长设为

，帧长的单位为

Figure 2011100460001100002DEST_PATH_IMAGE011

。

在节点B的某一主时隙内，假设

_R时刻为RTS段的起始时刻，

_C时刻为CTS段的起始时刻，

_D时刻为DATA段的起始时刻，

_A时刻为ACK段的起始时刻。节点B已向节点C发送完DATA帧，节点C回复节点B的ACK帧将在

_A时刻开始发出。

如果在节点B等待节点C回复的ACK帧期间又收到节点A的DATA帧，为保证节点B回复给节点A的ACK帧能被节点A接收到，节点B开始发送该ACK帧的时刻不能迟于

_A时刻。而节点B接收节点A的DATA帧需要的传输时间 T _DT为（不考虑帧间间隔时间）：

（1）

则节点A的DATA帧必须在

_A – T _DT 前到达节点B，否则不接收。

2．推导节点在ALOHA竞争期间发送数据后等待确认回复帧ACK的过程中能够接收其他节点数据帧的时间限制；

假设

时刻节点B给节点C发送DATA帧，则DATA帧的从节点B到节点C的传播时间T _PT为：

Figure 2011100460001100002DEST_PATH_IMAGE013

（2）

节点B在

+ T _DT时刻发送完DATA帧，进入等待节点C回复的ACK帧的状态。该DATA帧在 + T _DT + T _PT时刻到达节点C。节点C立即向节点B回复ACK帧。ACK帧的传播时间也是T _PT，传输时间T _AT为：

（3）

节点B将在t + T _DT + T _PT + T _PT时刻开始接收ACK帧，在

+ T _DT + T _PT + T _PT+ T _AT时刻ACK帧接收完毕。如此，节点B将有（

+ T _DT + T _PT + T _PT）–（ + T _DT）

2 T _PT 时间处于等待ACK帧的空闲状态。如此时节点B又收到节点A的DATA帧，若时间充裕，则接收节点A的DATA帧并回复ACK帧，而且这不会与节点C回复的ACK帧冲突；如时间不足处理，则不接收该DATA帧。

从节点B开始接收DATA帧到ACK帧发送完毕总共需要时间T _MT为：

（4）

节点B有充裕的时间接收节点A发来的DATA帧并回复ACK帧的条件是：2 T _PT T _MT，即：

（5）

为了能使节点B接收到节点A的DATA帧，DATA帧的到来时刻不能迟于（t + T DT + T PT+T PT）–T MT

t + 2 T _PT –T _AT。

3．网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；

4 ．节点判断时隙归属，根据时隙是否属于自己进行下一步动作；

5 ．当时隙是本节点的主时隙时，若有DATA帧需要发送，先在RTS段发送RTS帧，在CTS段受到目的节点回复的CTS帧后，在DATA段发送各DATA分帧，并等待回复的ACK帧；如果本节点在其主时隙的RTS段发送了RTS帧，在CTS段没有收到目的节点回复的CTS帧，说明此次预约主时隙失败，发送次数计数器+1（如果计数器达到了预设门限，该数据不再重发）；

6 ．节点在其主时隙发送完DATA帧后，在等待目的节点回复的ACK帧期间，如果又收到了其它节点的DATA帧，则判断该帧是否是在

_A – T _DT 前到达本节点，若是，则接收该帧并回复ACK帧，然后继续等待未到达的ACK帧；若否，则不接收该帧；

7．当时隙不是本节点的主时隙时，首先进行侦听，若在RTS段收到发给本节点的RTS帧，则在CTS段回复CTS帧，在DATA段接收数据后，在ACK段回复ACK帧；若在RTS段没有收到发给本节点的RTS帧，且在CTS段没有收到任何CTS帧，则本节点进入ALOHA竞争机制；

8 ．在ALOHA竞争机制中，当本节点有DATA帧需要发送，先随机等待一点时间以避免碰撞，发送前查看本节点是否处于接受状态，若是，则推迟发送，直至本节点未处于接受状态，再发送DATA帧；

9．在ALOHA竞争机制中，当本节点处于发送状态中时，若有帧到来，由于采用的是半双工的通信方式，本节点将不接收该帧；

10．在ALOHA竞争机制中，当本节点在

时刻发送DATA帧，在等待回复的ACK帧期间，又有其他节点发送给本节点的DATA帧到来，能够接收到来的DATA帧的条件是：该DATA帧的到来时刻不能迟于t + 2 T _PT –T _AT；

11．如果本节点在其主时隙发送了DATA帧，并在ACK段收到目的节点应答的ACK帧，根据ACK帧的内容判断各DATA分帧接收成功与否，并做记录，若有发送失败的DATA分帧，则发送次数计数器 + 1（如果计数器达到了预设门限，该数据不再重发)，进入下一个时隙执行4；

12．如果本节点在其主时隙发送了DATA帧，并在ACK段没有收到目的节点应答的ACK帧，说明此次DATA帧发送失败，发送次数计数器 + 1（如果计数器达到了预设门限，该数据不再重发)，节点进入下一个时隙执行4；

13．如果本节点在ALOHA竞争机制中发送了DATA帧，并在预设时间内收到目的节点应答的ACK帧，说明此次DATA帧发送成功，若此时该时隙仍未结束，则仍在ALOHA竞争机制执行8，若此时该时隙已要结束，则进入下一个时隙执行4；

如果本节点在在ALOHA竞争机制中发送了DATA帧，并在预设时间内没有收到目的节点应答的ACK帧，说明此次DATA帧发送失败，发送次数计数器 + 1（如果计数器达到了预设门限，该数据不再重发)，若此时该时隙仍未结束，则仍在ALOHA竞争机制执行8，若此时该时隙已要结束，则进入下一个时隙执行4。

如图2所示，本发明的帧结构框图，每个时间帧被分为n个时隙（n为网络中的节点数），每个时隙依次由RTS段，CTS段，DATA段和ACK段组成。对于非主节点来说，DATA段和ACK段组成ALOHA阶段，节点在此阶段内可以用适用于水声通信的ALOHA机制竞争时隙。

如图3所示，本发明的协议拓扑结构示意图，虚线圆代表节点的通信范围，可以看到节点A和节点C都在节点B的通信范围内，但节点A与节点C都不在彼此的通信范围内，不能直接通信，但可以通过节点B中继进行通信。根据本发明，节点B向节点C发送DATA帧后，在等待节点C回复的ACK帧时可以接收节点A发给节点B的DATA帧并回复ACK帧，而不影响节点B与节点C之间的通信，从而实现一个节点与多个节点同时通信。

实施例2

针对图4所示的网络拓扑结构，仿真参数分别为：信号传播速度

1500 m /s，节点的通信范围Range 1500 m，网络的数据率D

1000 bit / s，数据帧长L D 1024 bits，RTS和CTS帧长L C

88 bits，ACK帧长

=104 bits，计数器的预设门限为5，信道差错率为0.003，MAC层缓冲队列大小为256000 bits，仿真时间为7h。帧长为11.3 s，其中RTS段，CTS段，DATA段，ACK段的持续时间分别为：1.2 s，1.2 s，7.7 s，1.2 s。仿真事务流的包产生时间间隔为定值，总共仿真了37组事务流，到达时间间隔分别为5 s，6 s，7 s，8 s，9 s，10 s，15 s，20 s，25 s，30 s，35 s，40 s，45 s，50 s，55 s，60 s，65 s，70 s，75 s，80 s，85 s，90 s，95 s，100 s，110 s，130 s，150 s，170 s，200 s，230 s，260 s，300 s，330 s，360 s，400 s，450 s，500 s。为了便于区分将本发明所提方法成为AlohTDMA-LPD协议，而将传统简单的TDMA协议称为STDMA协议，另外，仅在传统TDMA协议的基础上增加ALOHA竞争机制，而并不增加节点在等待确认信息和数据发送失败延迟发送过程中接收数据的方法，将此方法称为AlohTDMA协议。通过仿真得到了AlohTDMA-LPD与STDMA，AlohTDMA三种实现方法在数据帧帧长为1024 bits时的网络平均吞吐量随网络平均负载变化的对比图，如图5和图6所示。AlohTDMA-LPD与STDMA，AlohTDMA三种实现方法在数据帧帧长为1024 bits时的网络平均端到端延迟随网络平均负载变化的对比图，如图7所示。

Claims

1. 一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；

步骤D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先进行侦听：

D-2-3-1，如果本节点在预设时间内收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发送成功；若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙；若此时该时隙已要结束，则进入下一个时隙；

2.根据权利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，其特征在于，步骤C-1中，本节点在其主时隙发送完DATA帧后，在等待目的节点回复的ACK帧期间，如果又收到了其它节点的DATA帧，则判断该帧是否是在

_A–T _DT前到达本节点；

若否，则不接收该帧；

其中，

3.根据权利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，其特征在于，步骤D-2中，当本节点在