CN102195763B

CN102195763B - 水声传感器网络长延迟情况下的mac协议实现方法

Info

Publication number: CN102195763B
Application number: CN 201110119493
Authority: CN
Inventors: 高翔; 方世良; 李启玲; 王伟娜
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: CN102195763A

Abstract

本发明公开了一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法。该方法基于传统TDMA机制，采用半双工的通信方式，按时隙划分时间。利用水声通信的长传播时延特性和信道的空间复用性，允许节点向等待应答确认帧的节点发送数据，允许其周围节点均空闲的节点发送数据，并且允许任何在等待应答确认帧的节点接收数据，本发明实现了一个节点同时与多个节点通信的目的，提高了网络吞吐量，同时降低了网络端到端延迟，适用于水声传感器网络及其它长传播时延通信网络，具有较高的实际应用价值。

Description

水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于CSMA/CA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，每一个帧再被分割成若干个时隙用于发送信号，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的MAC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。

CSMA/CA协议是指带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。发出数据前，先发送一个RTS（Request to send，请求传送）报文给目标端，等待目标端回应CTS（Clear to send，清除发送）报文后，才开始发送数据。利用RTS-CTS握手机制，确保接下来传送数据时，不会碰撞。同时由于RTS-CTS帧都很小，所以传送的无效开销较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统的基于TDMA的MAC协议信道利用率不高的缺点，在传统TDMA协议的基础上增加CSMA/CA竞争机制，提出一种基于CSMA/CA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，包括如下步骤：

A，网络进行初始化，建立网络节点拓扑结构信息，将时间帧划分成若干个时隙，每个时隙依次由优先段、竞争段、数据段、应答段组成，其中优先段包括PRTS段，PCTS段；竞争段包括CRTS段，CCTS段；

B，发送时隙，当前节点通过比较时隙号与节点号，判断该时隙是否属于本节点的主时隙进行下一步动作；

C，当时隙是本节点的主时隙时，判断本节点是否有数据需要发送：

C-1，当本节点有数据要发送时，先在PRTS段发送PRTS帧，然后判断是否在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧；

C-1-1，当本节点在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧时，本节点先广播JAM帧，然后在CRTS段判断是否收到回复给本节点的CRTS帧；

C-1-1-1，当收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点回复CCTS帧给优先级最高的节点，然后在数据段发送各数据分帧，并在应答段等待目的节点回复的应答帧；

根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否：

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，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；

C-1-1-2，当没有收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点在数据段发送各数据分帧，在应答段等待目的节点回复的应答帧；

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

C-1-2，当本节点在PCTS段没有收到目的节点回复的PCTS帧，此次预约主时隙失败，发送次数计数器+ 1，同时在CRTS段侦听CRTS帧，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；反之不动作；

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；

C-2，当本节点没有数据发送时，则侦听PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；如果握手不成功，则节点进入下一个时隙；

D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先判断本节点是否有数据要发送，如果本节点没有数据要发送，则进入C-2步骤，如果本节点有数据要发送，则首先侦听优先段：

D-1，当在优先段收到的是PCTS帧，则丢弃该PCTS帧进入下一时隙，以免与主节点冲突；

当在优先段收到的是PRTS帧，则判断该PRTS帧的目的地址是否是本节点：当结果为是，则在PCTS段回复PCTS帧，在数据段接收数据后，在应答段回复应答帧；进入下一个时隙；当结果为否，则进入D-2-1步骤；

D-2，当在PRTS段没有收到发给本节点的PRTS帧，且在PCTS段没有收到任何PCTS帧，则本节点进入CSMA/CA竞争机制：

D-2-1，在竞争段发送CRTS帧进行竞争，同时侦听其他节点的CRTS帧；

当节点发送CRTS后，在CCTS段内收到发给本节点的CCTS帧回复后没有收到主节点的JAM帧；且在侦听到的CRTS帧的源节点中，本节点的优先级别不是最高的；则本节点在收到CRTS帧后，在CRTS段结束时发送CCTS帧，在数据段进入发送数据状态，在应答段等待目的节点回复的应答帧；

D-2-2，当节点发送CRTS后，在CCTS段内侦听到主节点发送的JAM帧和回复的CCTS帧，或者未收到任何的CCTS帧，节点将进入等待状态，延迟一段时间再进入发送数据状态；

D-2-3，当本节点处于发送数据状态中时，当有数据帧到来，本节点将不接收该数据帧,当节点已发送完毕CCTS帧，则直接进入接收数据状态, 接收完成后在应答段发送应答帧；

D-2-4，根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否：

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，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。

进一步的，本发明的水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，当本节点在其主时隙发送完数据帧后，在等待目的节点回复的应答帧期间，如果又收到了其它节点的数据帧，则判断该帧是否是在规定的时间

_A+T _AT+T _De前到达本节点；

当结果为是，则接收该帧并回复应答帧，然后继续等待未到达的应答帧；

当结果为否，则不接收该帧；

其中， _A时刻代表应答段的起始时刻，T _AT代表目的节点接收本节点的数据帧需要的传输时间，T _De为延迟时间。

本发明采用以上技术方案具有如下优点：

1）利用信道的空间复用性，在PRTS段没有收到发给本节点的PRTS帧，且在PCTS段没有收到任何PCTS帧的其他节点可以适用水声通信的CSMA/CA机制竞争时隙，以提高信道利用率；

2)利用水声传感器网络长传播时延的特点，采用在等待确认信息过程中增加接收数据过程的方法，实现一个节点与多个节点同时通信的目的，较传统TDMA协议方法具有更高的网络性能。

本发明充分利用水声通信长传播时延的特点和信道的空间复用性，允许节点向等待应答确认帧的节点发送数据，允许其周围节点均空闲的节点发送数据，并且允许任何在等待应答确认帧的节点接收数据，有效提高了信道的利用率和网络吞吐量，降低数据的端到端延迟，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 是本发明中一个节点与两个节点同时通信实例图。

图5是仿真采用的网络拓扑结构图。

图6是三种协议下网络平均吞吐量随平均负载变化的对比图。

图7是三种协议下能量消耗性能随平均负载变化的对比图。

图8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图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

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CSMA/CA机制竞争其他节点的主时隙，在传统TDMA协议的基础上增加CSMA/CA竞争机制，并利用水声通信的的长传播延迟特点和信道的空间复用性，允许节点向等待应答确认帧的节点发送数据，允许其周围节点均空闲的节点发送数据，并且允许任何在等待应答确认帧的节点接收数据，有效提高了网络吞吐量，降低数据的端到端延迟，实现了一个节点与多个节点同时通信。

实施例1

如图1所示，本发明的具体流程如下：

1 、网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息，

2、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，

3 、如果到来的时隙是自己的主时隙，且没有数据要发，侦听CRTS帧，如果握手成功，则接收数据，

4 、如果到来的时隙是自己的主时隙，且有数据要发，则节点在时隙的PRTS段开始时向目的节点发送PRTS帧。收到此节点的PRTS帧的其他节点，判断PRTS帧中的目的地址是否是自己，若是自己，则在PCTS段开始时回复PCTS帧，

5、如果节点收到目的节点回复的PCTS帧，则节点成功预约了主时隙，因可靠广播要求两跳范围内同一时刻最多只能有一个节点发送数据，故其它收到PCTS帧的节点均不再竞争信道，这样就缓解了隐终端问题，

6 、当节点成功预约了主时隙后，发送JAM帧，以使节点的邻居节点不能接收其他节点的数据，以免造成冲突；

7、主节点发送JAM帧后，侦听CRTS帧，如果收到目的节点为节点B的CRTS帧，则回复CCTS给优先级别最高的CCTS的源节点；然后在数据段发送数据，并根据应答帧的接收情况决定重发或者放弃发送，

8、如果在PCTS段结束时节点未收到目的节点回复的PCTS帧，则节点预约主时隙失败，计数器加一，若该数据包已经5次失败发送，则将该数据包从MAC层的缓存队列中删除，放弃发送，同时侦听CRTS帧，如果别的节点与本节点握手成功，则接收数据，反之，不动作，

9、如果节点需要竞争其他节点的主时隙，则在优先段时其处于侦听状态，若发现信道有PCTS帧传输，则该时隙不发送以避免与主节点冲突；若发现信道有目的节点是本节点的PRTS帧，则在优先段回复PCTS帧，然后在数据段接收数据，应答段回复应答,

10 、如果节点需要竞争其他节点的主时隙，若未发现信道有PCTS帧传输并且即使有PRTS帧传输但目的地址不是本节点，则可在竞争段发送CRTS帧，以请求获得该时隙的使用权，

11、如果节点需要竞争其他节点的主时隙，若在本节点和侦听到的CRTS帧的源节点中，本节点的优先级别不是最高，且有发给本节点的CRTS帧，且未收到JAM帧，则回复CCTS帧给侦听到的优先级别最高的CRTS的源节点，准备接收数据，

12、如果节点需要竞争其他节点的主时隙，若不执行10，且接收到CCTS帧回复，则成功获得该时隙的使用权，再判断若没有收到过JAM帧，则在数据段到来时发送数据，若收到过JAM帧，则在数据段到来时延迟一段时间再开始发送数据，以避免与主节点发送的数据冲突，并根据应答帧的接收情况决定重发或者放弃发送，

13、如果节点需要竞争其他节点的主时隙，若节点没有回复CCTS且没有接收到CCTS回复，则也成功地获得该时隙的使用权，在数据段到来时延迟一段时间再开始发送数据，以避免与其他节点发送的数据冲突，然后根据应答帧的接收情况决定重发或者放弃发送。

如图2所示，本发明的帧结构框图中，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PRTS段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，数据段，应答段组成。对于非主节点来说，CRTS段和CCTS段组成竞争阶段，节点在此阶段内可以适用水声通信的CSMA/CA机制竞争时隙。其中，PRTS、PCTS分别代表优先段的请求传送和清除发送；CRTS、CCTS分别代表竞争段的请求发送和清除发送。

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发送数据帧后，在等待节点C回复的应答帧时，可以接收节点A发给节点B的数据帧并回复应答帧，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。

如图4中，节点B已取得时隙使用权，在数据段到来时发送数据帧给节点A。节点C也取得时隙的使用权，但因为节点采用半双工的通讯方式，节点C需延时一段时间再发送数据帧给节点B，以避免节点C发送的数据帧到达节点B时节点B仍在发送数据而导致此数据帧不能被成功接收。节点A收到节点B的数据帧，然后在应答段到来时回复应答帧。因节点B收到的数据帧的源节点（节点C）在发送数据时是采用延时策略的，故节点B在回复应答帧时也要延时一段时间，以免与其他节点发送的应答帧碰撞。节点B回复完应答帧后接收到节点A回复给本节点的应答帧。节点C也收到了节点B回复的应答帧。这样，节点B成功地在一个时隙内同时与节点A和节点C通信。

实施例2

针对图5所示的网络拓扑结构，仿真参数分别为：信号传播速度C 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，应答帧长

=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PRTS段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，数据段，应答段的持续时间分别为：1.1 s，1.1 s， 2 .1s，1.1 s，4.6 s，1.3 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。

仿真例中将传统简单的TDMA协议称为STDMA协议，另外，将仅在AGENT协议的基础上增加应答段，而并不增加节点在等待确认信息过程中接收数据过程的方法称为C-AGENT协议。通过仿真得到了C-AGENT-LPD与STDMA，C-AGENT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6所示。

C-AGENT-LPD与STDMA，C-AGENT三种实现方法在数据帧帧长为1024 bits时的能量消耗性能随平均负载变化的对比图，如图7所示。

C-AGENT-LPD与STDMA，C-AGENT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8所示。

Claims

1.一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

B，发送时隙，当前节点通过比较时隙号与节点号是否相同，判断该时隙是否属于本节点的主时隙进行下一步动作；

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，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；

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，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，预设门限为5；

C-1-2，当本节点在PCTS段没有收到目的节点回复的PCTS帧，此次预约主时隙失败，发送次数计数器+1，同时在CRTS段侦听CRTS帧，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；反之不动作；

D-2-3，当本节点处于发送数据状态中时，当有数据帧到来，本节点将不接收该数据帧,当节点已发送完毕CCTS帧，则直接进入接收数据状态,接收完成后在应答段发送应答帧；

当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；

当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，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。

2.根据权利要求1所述的水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，其特征在于：当本节点在其主时隙发送完数据帧后，在等待目的节点回复的应答帧期间，如果又收到了其它节点的数据帧，则判断该帧是否是在规定的时间t_A+T_AT+T_De前到达本节点；

当结果为否，则不接收该帧；

其中，t_A时刻代表应答段的起始时刻，T_AT代表目的节点接收本节点的数据帧需要的传输时间，T_De为延迟时间。