CN102355739A - 一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法，该方法在传统发送节点向接收节点进行RTS-CTS-DATA三步握手通信过程中，充分利用发送节点发出的RTS控制包和接收节点发出的CTS控制包，对其各自邻居节点的待发数据信息进行收集、并集中调度它们发送数据的时间，实现在发送节点与接收节点的一次完整的数据通信过程中，同时完成了它们各自邻居节点向它们发送数据的任务。因此，该方法有效地提高了网络吞吐量，并降低端到端平均通信时延。

Description

一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法

技术领域

本发明属于无线网络通信技术领域，尤其涉及一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法。

背景技术

基于声波通信的无线传感器网络常用于水下环境的数据采集应用中。相对于陆地上电磁波这种无线通信方式而言，声波在水下通信具有时延大、速率低、传输不稳定等特点。在声波信号较大时延的传输过程中，由于各传感器节点无法通过监听信道进行有效地判定当前信道忙或闲，传统基于载波监听的信道接入方式在水下环境将变得不适用。RTS-CTS-DATA这种握手机制由于能够确保收发节点在数据传输过程中不会有其它节点的通信行为干扰，有效地避免了网络通信中的冲突问题，因而成为基于声波通信的无线传感器网络的主要信道接入方式。

然而RTS-CTS-DATA这种握手机制在较大时延的水下声波通信环境中，对信道的利用率很低。其RTS和CTS控制包在收发节点的邻居范围内占据着信道较长的时间，禁止了其它节点的通信行为，因而造成网络的吞吐量较低。如图1所示。因此，如何改善RTS-CTS-DATA握手机制较低的信道利用率，成为基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法设计的一个挑战性问题。现有的相关方法主要有如下：

(1)发送节点多路并行传输，见X.Guo，M.R.Frater，and M.J.Ryan，“Designof a Propagation-Delay-Tolerant MAC Protocol for Underwater Acoustic SensorNetworks”，IEEE Journal of Oceanic Engineering，Apr.2009，这种方法让发送节点在需要向多个目标节点发送数据时，可以将多次握手过程交错在一起同时进行，从而显著减小了信道的空闲时间。然而，该方法仅在发送节点同时有数据向多个目标节点发送时，才会表现出较好的性能。

(2)接收节点多路并行接收，见N.Chirdchoo，W.S.Soh，and K.C.Chua，“RIPT：A Receiver-initiated Reservation-based Protocol for Underwater AcousticNetworks”，IEEE JSAC，Special Issue on Underwater Wireless Communications andNetworks，Dec.2008，这种方法让接收节点在多个源节点需要向其发送数据时，事先收集这些源节点信息，然后一次性调度这些源节点的数据发送时间，使得它们发送的数据能够按序无重叠地到达接收节点。该方法由于合并了各个数据传输的握手开销，因而提高了信道利用率。然而，该方法由于需要由接收节点发起通信邀请才能进行数据传输，因而造成发送节点额外的等待时延；同时，频繁的发起邀请，也增加了网络冲突干扰的概率。

(3)发送节点单路传输并多路并行接收，见H.H.Ng，W.S.Soh，and M.Motani，“ROPA：A MAC Protocol for Underwater Acoustic Networks with ReverseOpportunistic Packet Appending”，IEEE WCNC’10，Apr.2010，这种方法让发送节点在主动申请发送数据的同时，向需要发送数据给它的其它节点发起邀请，根据获得的回复信息，一次性调度这些节点的数据发送时间，使得它们发送的数据能够按序无重叠地到达该发送节点。该方法由于在上述方法(2)基础上改为由发送方发起邀请，因而避免了发送节点的额外等待时延，并减低网络冲突概率。该方法尽管充分利用了发送节点的信道，但其接收节点由于在多路通信过程中不能接收其它数据，因而其信道仍未得到有效利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法，对现有的ROPA进行了改进，提高了网络吞吐量，降低端到端平均时延。

一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法，具体为：

第1步：

源节点S发起RTS控制包给目标节点R，RTS控制包携带有时刻调度表C₁，C₁指定了源节点S的各邻居节点N(S)的回复时刻；

第2步：

R收到RTS控制包后回复CTS控制包给S，CTS控制包携带有时刻调度表C₂，C₂指定了R的各邻居节点N(R)的回复时刻；

在S的邻居节点N(S)中，收到RTS控制包且自身有待发送数据给S的邻居节点N′(S)，按照RTS中的时刻调度表C₁指定的时刻回复ATS控制包给S；

第3步：

在R的邻居节点中，收到CTS控制包且自身有待发送数据给R的邻居节点N′(R)，按照CTS中的时刻调度表C₂指定的时刻回复ATR控制包给R；

S广播STA控制包，STA控制包携带有时刻调度表C₃，C₃指定了各N′(S)节点发送数据给S的时刻，其满足各N′(S)节点发送的数据到达S的时刻无重叠且不重叠于S向R的发送数据时刻，S的广播时刻需保证STA达到R的时刻晚于各ATR到达R的时刻；

第4步：

S广播STA后，停顿一个控制包的发送时间间隔开始发送数据包给R；

各N′(S)节点收到STA控制包后，按照其中的时刻调度表C₃指定的时刻分别发送数据包给S；

R收到STA控制包后发送RTA控制包给各N′(R)节点，RTA控制包携带有时刻调度表C₄，C₄指定了各N′(R)节点发送数据给R的时刻，其满足各N′(R)节点的数据到达R的时刻无重叠且不重叠于R接收S的数据时刻；

第5步：

各N′(R)节点按照时刻调度表C₄指定的时刻分别发送数据包给R。

本发明所述的方法是一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法。该方法在传统发送节点向接收节点进行RTS-CTS-DATA三步握手通信过程中，充分利用发送节点发出的RTS控制包和接收节点发出的CTS控制包，对其各自邻居节点的待发数据信息进行收集、并集中调度它们发送数据的时间，实现在发送节点与接收节点的一次完整的数据通信过程中，同时完成了它们各自邻居节点向它们发送数据的任务。经过仿真试验与现有ROPA相比，本发明将网络吞吐量提高约8％，端到端平均时延降低约5％。

附图说明

图1是RTS-CTS-DATA握手机制示意图；

图2是本发明通信过程的分步示意图；

图3是本发明时序示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法，它包括下述步骤：

第1步：

源节点S发起通信请求RTS控制包给目标节点R，RTS携带S为其各邻居节点N(S)设置的回复信息给S的时刻调度表C₁，该时刻调度表保证各N(S)节点按照指示的时刻回复信息时，各信息到达S的时间无重叠；

第2步：

目标节点R收到RTS控制包，则回复CTS控制包给S，表示可以接收S发来的数据，CTS携带R为其各邻居节点N(R)设置的回复信息给R的时刻调度表C₂，该时刻调度表保证各N(R)节点按照指示的时刻回复信息时，各信息到达R的时刻无重叠；

因为S采用无线发送形式，因此其邻居节点均能收到S发出的RTS控制包。在发送节点S的邻居节点中，收到RTS且自身有待发送数据给S的邻居节点

将根据RTS中的时刻调度表C₁，在其对应的时刻上分别回复ATS控制包给S，携带它们待发送的数据长度信息；

第3步：

目标节点R的邻居节点中，收到CTS且自身有待发送数据给R的邻居节点将根据CTS中的时刻调度表C₂，在其对应的时刻上分别回复ATR控制包给R，携带它们待发送的数据长度信息；

源节点S根据收到的CTS和各ATS控制包，设置各N′(S)节点发送数据给S的时刻调度表C₃，该时刻调度表保证各N′(S)节点按照指示的时刻发送数据时，各数据到达S的时刻无重叠、且不重叠于S的发送数据时刻，S将该时刻表用STA控制包广播出去，广播时间需保证STA达到R的时刻晚于各ATR到达R的时刻；

第4步：

S广播STA后，停顿一个控制包的发送时间间隔后，开始发送其数据包给R；

各N′(S)节点收到STA控制包后，根据其中的时刻调度表C₃，在其对应的时刻上分别发送数据包给S；

目标节点R根据收到的各ATR控制包信息，在其收到STA控制包后立即发送RTA控制包给各N′(R)节点，携带其为各N′(R)节点设置的发送数据给R的时刻调度表C₄，该时刻调度表保证各N′(R)节点按照指示的时刻发送数据时，各数据到达R的时刻无重叠、且不重叠于R接收S的数据时刻。

第5步：

各N′(R)节点根据时刻调度表C₄发出的数据包无重叠的到达R节点。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

图2给出本发明通信过程的分步示意图。更进一步，图3给出一个示例中各控制包及数据包的收发时间过程，具体描述如下：

1、假设源节点S有三个邻居节点N₁(S)，N₂(S)和R，S到邻居节点之间的传输时延分别为t_S1，t_S2和t_SR；目标节点R有三个邻居节点N₁(R)，N₂(R)和S，R到邻居节点之间的传输时延分别为t_R1，t_R2和t_SR。S在t₀时刻发起通信请求RTS控制包给R，分别在t₀+t_S1，t₀+t_S2和t₀+t_SR时刻到达N₁(S)，N₂(S)和R；

2、R收到RTS控制包后，立即回复CTS给S；设此时正好N₁(S)和N₁(R)分别有数据待发送给S和R，则N₁(S)在t₀+t_S1+α时刻回复ATS给S，其中α由时刻调度表C₁设置，需满足t₀+2t_S1+α≠t₀+2t_SR+τ，以避免ATS与CTS控制包在到达S的时间上重叠，τ为节点发送一个控制包所需的时间；

3、S收到CTS和ATS控制包后，在t₁时刻广播STA控制包，然后停顿τ时间开始发送数据给R；

N₁(R)收到CTS后，在t₀+t_SR+t_R1+β时刻发送ATR控制包给R，其中β由时刻调度表C₂设置，需满足t₀+t_SR+2t_R1+β＞t₁+t_SR，使得ATR比STA控制包提前到达R。

4、N₁(S)收到STA控制包后，在t₁+t_S1+γ时刻发送数据包给S，其中γ由时刻调度表C₃设置，需满足t₁+2t_S1+γ≥t₁+2τ+T_SR，T_SR为S发送数据包的时间，使得N₁(S)发送的数据包到达S时，S已经发送完自己的数据包；

R收到STA控制包后立即发送RTA控制包；

5、N₁(R)收到RTA后，在t₁+t_SR+t_R1+η时刻发送数据包给R，其中η由时刻调度表C₄设置，需满足t₁+t_SR+2t_R1+η≥t₁+2τ+t_SR+T_SR，使得N₁(R)发送的数据包晚于S发送的数据包达到R。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于声波通信的无线传感器网络信道接入方法，具体为：

第1步：

源节点S发起RTS控制包给目标节点R，RTS控制包携带有时刻调度表C₁，C₁指定了源节点S的各邻居节点N(S)的回复时刻；

第2步：

R收到RTS控制包后回复CTS控制包给S，CTS控制包携带有时刻调度表C₂，C₂指定了R的各邻居节点N(R)的回复时刻；

在S的邻居节点N(S)中，收到RTS控制包且自身有待发送数据给S的邻居节点N′(S)，按照RTS中的时刻调度表C₁指定的时刻回复ATS控制包给S；

第3步：

在R的邻居节点中，收到CTS控制包且自身有待发送数据给R的邻居节点N′(R)，按照CTS中的时刻调度表C₂指定的时刻回复ATR控制包给R；

S广播STA控制包，STA控制包携带有时刻调度表C₃，C₃指定了各N′(S)节点发送数据给S的时刻，其满足各N′(S)节点发送的数据到达S的时刻无重叠且不重叠于S向R的发送数据时刻，S的广播时刻需保证STA达到R的时刻晚于各ATR到达R的时刻；

第4步：

S广播STA后，停顿一个控制包的发送时间间隔开始发送数据包给R；

各N′(S)节点收到STA控制包后，按照其中的时刻调度表C₃指定的时刻分别发送数据包给S；

R收到STA控制包后发送RTA控制包给各N′(R)节点，RTA控制包携带有时刻调度表C₄，C₄指定了各N′(R)节点发送数据给R的时刻，其满足各N′(R)节点的数据到达R的时刻无重叠且不重叠于R接收S的数据时刻；

第5步：

各N′(R)节点按照时刻调度表C₄指定的时刻分别发送数据包给R。

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