CN102612077B - 一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，该方法在T-Lohi协议的基础上采用动态的竞争回合以平衡吞吐量和丢包率性能；再进一步引入伪Tone机制、新的竞争者计数方式来解决隐藏终端和暴露终端问题，采用基于优先权的竞争策略来解决公平性问题，且合理地设定阻塞状态中的预停留时间，从而将T-Lohi协议从单跳网络扩展到多跳网络。在水声信道环境中，该协议方法中的Tone预约方式比传统的载波侦听方式和RTS/CTS握手机制更高效可靠，并且性能稳定。

Description

一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络数据链路层的媒介接入控制技术，尤其涉及一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术：

由于水声信道的长传播时延特性，在竞争型MAC协议的信道接入方式中，随机接入方式(如Aloha)碰撞丢包严重，能量效率太低；载波侦听方式(如CSMA)需要较长的侦听时间且侦听到的信道状态并不可靠，同样造成效率低下。所以水声通信网络的竞争型MAC协议中较多地采用基于预约机制的接入方式，以降低碰撞丢包率，提高能量效率，而基于RTS/CTS握手方式(如Slotted FAMA)的信道预约，由于发一次数据之前至少需要两次控制信息交互，直接导致信道利用率或吞吐量性能低下。Syed等人提出的Tone预约方式充分利用了水声信道的特点，在单跳全通网络场景下，基于Tone预约方式的T-Lohi协议能取得相对较优越的网络性能。

Syed等人针对水声传感器网络提出了一种基于Tone预约机制的分布式节能的竞争型MAC协议T-Lohi，该协议有三个版本：同步的T-Lohi(ST-Lohi)、保守非同步的T-Lohi(cUT-Lohi)和激进非同步的T-Lohi(aUT-Lohi)。协议中，一次完整的预约过程包括若干个竞争回合(Contention Round，CR)，对于ST-Lohi和aUT-Lohi，一个竞争回合的时间长度为：CR_ST＝CR_aUT＝(τ_max+T_tone)，即最大传播时延加上Tone包的检测时间(发送时间)；而cUT-Lohi的一个竞争回合长度为其两倍，即：CR_cUT＝2(τ_max+T_tone)。

aUT-Lohi能取得较高的吞吐量性能，但碰撞丢包严重；cUT-Lohi的碰撞丢包率低，但吞吐量不高；ST-Lohi既能取得较高的吞吐量，又具有较低的碰撞丢包率，但是ST-Lohi需要时间同步，复杂度高，开销大。T-Lohi是一种高效、节能，且性能稳定的水声通信网络MAC协议，但是，它是针对单跳全通网络设计的，并不适合于多跳网络。

发明内容：

本发明的目的在于解决现有技术的缺陷，设计了一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，采用如下技术方案：

一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，其特征在于：其特征在于：1)在T-Lohi协议的基础上，采用动态的竞争回合以平衡吞吐量和丢包率性能；2)引入伪Tone机制、新的竞争者计数方式来解决隐藏终端和暴露终端问题；3)采用基于优先权的竞争策略来解决公平性问题；4)合理地设定阻塞状态中的预停留时间；将以上4点交叉综合运用，改进了T-Lohi协议，以实现从单跳网络到多跳网络的扩展；包括以下步骤：

(1)配置网络参数，包括最大的单跳传播时延τ_max，Tone包的发送或接收时间T_tone，数据包的发送或接收时间T_data，网络中最密集区域内节点的邻居节点数n_max，网络中最稀疏区域内节点的邻居节点数n_min；

定义网络中传输的Tone包和数据包，Tone包由“类型”、“发送节点编号”、“接收节点编号”、“优先权值”四个域组成，其中“类型”域为竞争Tone(ContentionTone，CT)或伪Tone(Pseudo Tone，PT)，CT用于预约信道，PT用于制造虚拟竞争以防止隐藏终端问题造成的数据碰撞，对每个节点而言，发送PT的条件是：在持续时间T_pt＝T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)内收到的CT个数大于1且其中包含发给自己的CT，则发送PT；CT包中的“优先权值”用于标志本节点当前参与竞争的优先级，同时节点内部有一个竞争标志队列(CFQ)，用于记录本节点每次发CT竞争的结果：竞争成功则将“1”插入队列，否则将“0”插入队列，同时将队列中最早的记录删除，CT包中的“优先权值”为CFQ中所有记录之和，该值越小，表示本节点在此次竞争中的优先级越高，该域初始化值为0；数据包由“接收节点编号”、“发送节点编号”、“目的节点编号”和“数据信息”四个域组成，其中“数据信息”域中保存着需要发送的数据信息，“目的节点编号”是该数据包最终要传递到的节点的编号，“接收节点编号”是数据包在本跳传递时目标接收者的编号，“发送节点编号”是数据包的发送者的编号；

(2)设定网络的通信时间T_com；

(3)节点处于空闲状态时，如果本节点有数据需要发送，则跳至(4)；如果收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT(此时若满足PT的发送条件则需发送PT)或者PT，则跳至(8)；当通信时间长度到达设定的通信时间T_com时，执行步骤(11)；

(4)计算当前竞争回合的时间长度：CR＝(1+γ)(τ_max+T_tone)，其中，n为本节点的邻居节点数目，CTC表示本节点最新统计的竞争者个数(CTC初值为0)；发送竞争Tone，然后侦听邻居节点发送的Tone，并等待该CR结束，记录收到的伪Tone数目PTC，并更新竞争者个数CTC，即发给本节点或本节点之邻居节点的CT中，优先级最高的Tone个数；如果满足发送PT的条件，则发送PT；

(5)当CR结束时，如果本节点的优先级是唯一最高的，且没有收到PT，则预约信道成功，跳至(6)；如果本节点的优先级是唯一最高的，但PTC不等于0，或者本节点的优先级是最高的，但不是唯一最高的，则跳至(7)进行退避；如果本节点的优先级不是最高的，则跳至(9)直接执行退让；

(6)发送数据，然后静默一段时间τ_max，当τ_max结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(7)进入退避状态，按以下算法执行随机退避：先计算退避窗口大小W：

若CTC等于1且PTC大于0，则否则再以[0，W)上的均匀分布随机生成一个w，执行时间长度为w·CR的退避，如果在w·CR结束之前收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT，跳至(8)；当w·CR结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)，否则跳至(4)；

(8)进入预阻塞状态，侦听一段时间τ_max，并及时更新CTC，若满足发送PT的条件则发送PT；当τ_max结束时跳至(9)；

(9)用如下算法设定在阻塞状态中的预停留时间T_b：若CTC等于0，T_b＝0，若CTC等于1，T_b＝τ_max+T_data，若CTC大于1，则T_b＝3·CR+τ_max+T_data；然后进入阻塞状态，跳至(10)；

(10)在阻塞状态中，如果发送PT的条件满足则立即发送PT；当T_b结束或者收到发给本节点或本节点之邻居节点的数据时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(11)通信结束。

与现有技术相比，本发明具有的优点及显著效果：

1)现有的大多数用于水声通信网络的MAC协议都是针对单跳网络设计的，而本发明的MT-Lohi协议针对多跳网络而设计。

2)MT-Lohi协议充分利用了水声信道的长传播时延特性和分布式水声网络中存在的时空不确定性，其分布式Tone预约方式比传统的RTS/CTS握手方式以及载波侦听方式更为高效可靠。

3)MT-Lohi协议不需要时间同步，且不需要中心控制，网络中节点是完全分布式工作的。

4)MT-Lohi协议不依赖于网络拓扑结构，且对网络负载具有适应性，应用灵活。

附图说明：

图1是Tone包格式；

图2是数据包格式；

图3是“隐藏终端”示意图；

图4是“暴露终端”示意图；

图5是碰撞条件的时间分析；

图6是单位节点的吞吐量与业务量的关系；

图7是节点吞吐量与网络规模的关系；

图8是节点吞吐量随网络规模下降的速度比较；

图9是丢包率与节点业务量的关系；

图10是丢包率与网络规模的关系；

图11是公平性指数与节点业务量的关系。

具体实施方式

本方法中，在网络中传输的包分为Tone包和数据包，参看图1，Tone包由“类型”、“发送节点编号”、“接收节点编号”、“优先权值”四个域组成；其中“类型”域用于表示竞争Tone即CT或伪Tone即PT，CT用于预约信道，PT用于制造虚拟竞争以防止隐藏终端问题造成的数据碰撞，对每个节点而言，发送PT的条件是：在持续时间T_pt＝T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)内收到的CT个数大于1且其中包含发给自己的CT，则发送PT；“发送节点编号”和“接收节点编号”分别是Tone包的发送者和目标接收者的编号；“优先权值”用于标志本节点当前参与竞争的优先级，同时节点内部有一个竞争标志队列CFQ，用于记录本节点每次发CT竞争的结果：竞争成功则将“1”插入队列，否则将“0”插入队列，同时将队列中最早的记录删除，CT包中的“优先权值”为CFQ中所有记录之和，该值越小，表示本节点在此次竞争中的优先级越高，该域只对CT包有意义，初始化值为0。

参看图2，数据包由“接收节点编号”、“发送节点编号”、“目的节点编号”和“数据信息”四个域组成，其中“数据信息”域中保存着需要发送的数据信息，“目的节点编号”是该数据包最终要传递到的节点的编号，“接收节点编号”是数据包在本跳传递时目标接收者的编号，“发送节点编号”是数据包的发送者的编号。

网络中各节点只有发射、接收和空闲三种物理状态，节点收发信息采用单信道、半双工模式，每个节点只能收到其单跳范围之内的节点发送的信息。

本方法在T-Lohi协议的基础上采用动态的竞争回合以平衡吞吐量和丢包率性能；再进一步引入伪Tone机制、新的竞争者计数方式来解决隐藏终端和暴露终端问题，采用基于优先权的竞争策略来解决公平性问题，且合理地设定阻塞状态中的预停留时间，从而将T-Lohi协议从单跳网络扩展到多跳网络。包括以下步骤：

(1)配置网络参数，包括最大的单跳传播时延τ_max，Tone包的发送或接收时间T_tone，数据包的发送或接收时间T_data，网络中最密集区域内节点的邻居节点数n_max，网络中最稀疏区域内节点的邻居节点数n_min；

定义网络中传输的Tone包和数据包，Tone包由“类型”、“发送节点编号”、“接收节点编号”、“优先权值”四个域组成，其中“类型”域为竞争Tone(ContentionTone，CT)或伪Tone(Pseudo Tone，PT)，CT用于预约信道，PT用于制造虚拟竞争以防止隐藏终端问题造成的数据碰撞，对每个节点而言，发送PT的条件是：在持续时间T_pt＝T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)内收到的CT个数大于1且其中包含发给自己的CT，则发送PT；CT包中的“优先权值”用于标志本节点当前参与竞争的优先级，同时节点内部有一个竞争标志队列(CFQ)，用于记录本节点每次发CT竞争的结果：竞争成功则将“1”插入队列，否则将“0”插入队列，同时将队列中最早的记录删除，CT包中的“优先权值”为CFQ中所有记录之和，该值越小，表示本节点在此次竞争中的优先级越高，该域初始化值为0；数据包由“接收节点编号”、“发送节点编号”、“目的节点编号”和“数据信息”四个域组成，其中“数据信息”域中保存着需要发送的数据信息，“目的节点编号”是该数据包最终要传递到的节点的编号，“接收节点编号”是数据包在本跳传递时目标接收者的编号，“发送节点编号”是数据包的发送者的编号；

(2)设定网络的通信时间T_com；

(3)节点处于空闲状态时，如果本节点有数据需要发送，则跳至(4)；如果收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT(此时若满足PT的发送条件则需发送PT)或者PT，则跳至(8)；当通信时间长度到达设定的通信时间T_com时，执行步骤(11)；

(4)计算当前竞争回合的时间长度：CR＝(1+γ)(τ_max+T_tone)，其中，n为本节点的邻居节点数目，CTC表示本节点最新统计的竞争者个数(CTC初值为0)；发送竞争Tone，然后侦听邻居节点发送的Tone，并等待该CR结束，记录收到的伪Tone数目PTC，并更新竞争者个数CTC，即发给本节点或本节点之邻居节点的CT中，优先级最高的Tone个数；如果满足发送PT的条件，则发送PT；

(5)当CR结束时，如果本节点的优先级是唯一最高的，且没有收到PT，则预约信道成功，跳至(6)；如果本节点的优先级是唯一最高的，但PTC不等于0，或者本节点的优先级是最高的，但不是唯一最高的，则跳至(7)进行退避；如果本节点的优先级不是最高的，则跳至(9)直接执行退让；

(6)发送数据，然后静默一段时间τ_max，当τ_max结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(7)进入退避状态，按以下算法执行随机退避：先计算退避窗口大小W：

若CTC等于1且PTC大于0，则否则再以[0，W)上的均匀分布随机生成一个w，执行时间长度为w·CR的退避，如果在w·CR结束之前收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT，跳至(8)；当w·CR结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)，否则跳至(4)；

(8)进入预阻塞状态，侦听一段时间τ_max，并及时更新CTC，若满足发送PT的条件则发送PT；当τ_max结束时跳至(9)；

(9)用如下算法设定在阻塞状态中的预停留时间T_b：若CTC等于0，T_b＝0，若CTC等于1，T_b＝τ_max+T_data，若CTC大于1，则T_b＝3·CR+τ_max+T_data；然后进入阻塞状态，跳至(10)；

(10)在阻塞状态中，如果发送PT的条件满足则立即发送PT；当T_b结束或者收到发给本节点或本节点之邻居节点的数据时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(11)通信结束。

根据本方法的上述步骤，对其中所采用的特征进一步解释如下：

1、动态竞争回合长度(步骤(4)中CR的表达式)

本发明考虑没有时间同步的情况，在高信道利用率和低碰撞丢包率之间取得平衡，使用如下动态竞争回合长度：CR＝(1+γ)(τ_max+T_tone)       (1)

式中，其中：τ_max表示最大的单跳传播时延；T_tone为Tone包(其格式如图1所示)的发送或接收时间；n为本节点的邻居节点数目，标志节点分布的疏密程度，即密度大小(对单跳或全通网络，n+1即网络规模)；CTC表示本节点最新统计的竞争者个数；于是用于标志网络负载高低，或者竞争强度大小。

这样，当负载较高、密度较大时，γ很小，CR接近于aUT-Lohi协议的竞争回合长度，协议将在一定程度上保留aUT-Lohi协议高信道利用率的优势，同时碰撞丢包率也处于较低水平；当负载较高、密度较小时，γ不至于很小，CR大于且不接近于aUT-Lohi协议的竞争回合长度，从而有利于降低碰撞丢包率；当负载较低、密度较小时，γ较大，CR接近于cUT-Lohi协议的竞争回合长度，从而继承了cUT-Lohi特别适合于低负载下的稀疏网络这一优点。CR随网络负载变化而动态变化，甚至随网络拓扑变化即节点分布密度变化而动态调整，这使得改进后的协议对网络负载和网络密度具有适应性，从而能够在吞吐量和碰撞丢包率之间取得较好的平衡，保持稳定的网络性能。

然而，本发明旨在设计一种用于多跳水声网络的基于Tone预订方式的分布式竞争MAC协议。T-Lohi协议中Tone预约方式的基本特点为：节点在发送数据之前须发送Tone预约信道，并在一个竞争回合的时间内，通过接收网络中其他节点的Tone来计算竞争者个数，据此进行退避或者发送数据。本发明在其基础上引入了以下机制和竞争解决方案：

2、基于优先权的竞争策略(步骤(1)中“优先权值”的计算和步骤(5))

对于分布式多跳网络，节点都是在局部而非全网范围内参与竞争，即直接和自己的邻居节点(单跳可达的节点)竞争信道，所以相比于密集区域(如网络中心)的节点，处于稀疏区域(如网络边缘)的节点因其竞争者更少而更容易获取信道、发送数据，从而导致了不公平性，本发明在Tone预约的基础上引入基于优先权的竞争策略，来解决公平性问题。各节点在发送数据之前须发送Tone包预约信道，并在一个竞争回合的时间内，通过接收其他节点的Tone来计算竞争者个数，据此进行退避或者发送数据。Tone包中的“优先权值”域用于标志本节点当前的优先级，同时，节点内部有一个竞争标志队列CFQ(Content FlagQueue)，用于记录本节点每次发Tone竞争的结果：竞争成功则将“1”插入队列，否则将“0”插入队列，同时将队列中最早的记录删除。Tone包中“优先权值”域的值为CFQ中所有记录之和，该值越小，表示本节点在此次竞争中的优先级越高。对于每次信道预约，只有优先级相对最高的节点才有资格发送数据或者退避，其他节点直接退让而进入阻塞状态。

3、伪Tone机制(满足步骤(1)中伪Tone的发送条件时则发送伪Tone包)

由于“隐藏终端”问题，数据包有可能在本节点处发生碰撞而导致本节点无法正确接收发给自己的数据，因此节点须根据接收竞争Tone(CT)的情况进行判断。一旦判断有这种可能就立即发送伪Tone(PT)，其包格式如图1所示。但PT包的“接收节点编号”与“发送节点编号”相同以区别于CT包，并且其“优先权值”设为CFQ的长度。发送PT的判断条件是：在一段持续时间T_pt＝T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)，(其中T_data和T_tone分别为数据包和Tone包的发送或接收时间，n_max和n_min分别为网络中最密集区域和最稀疏区域内节点的邻居节点数)内收到的CT个数大于1且其中包含发给自己的CT，以制造虚拟竞争。发送PT的作用是制造虚拟竞争，让邻居节点有适当的退避，从而避免因多个互为隐藏终端的节点同时发送数据而在本节点处发生数据碰撞。如图3所示，节点2收到了节点1发给它的CT，而在接下来的时间T_pt内又收到了节点4发送的CT，于是节点2立即发送PT以告知其邻居节点：接下来有可能在本节点这里发生数据碰撞。当然，节点1或节点4可能在它们各自的竞争回合内来不及收到此信息，但是有可能会收到来自其他节点的PT或者CT，于是碰撞同样可以避免。

4、竞争者计数方式(步骤(4)中CTC的计算)

本发明中，只有当CT的目标接收者为本节点或本节点的邻居节点时，才将该CT的发送节点视为本节点的竞争者。结合基于优先权的竞争策略，本发明MT-Lohi协议的竞争者计数方式为：在一段持续时间内，统计发给本节点或本节点之邻居节点的CT(包括自己发送的CT)中，优先级最高的Tone个数，即竞争者个数(CTC)。

在以上竞争者计数方式下，图4(a)中节点2和节点3可以同时分别向节点1和节点4发送数据；图4(b)中节点1发了CT给节点2，同时节点2发送了CT给节点3，这时，对节点2来说，节点1是其竞争者，但对节点1来说，节点2不是其竞争者，所以节点1接下来会发送数据，而节点2则进行退避。

5、阻塞状态下的预停留时间(步骤(9))

一轮完整的竞争包括若干个竞争回合和一个数据阶段。对于多跳网络中的分布式竞争，本节点在预约阶段(Reservation Period，RP)中进入阻塞状态后，由于可能收不到数据包而无法判断本次协议周期何时结束，所以，在进入阻塞状态前，必须确定在阻塞状态中的预停留时间，使得本节点的行为既不影响其邻居节点接收数据，又不无谓地浪费时间，这个预停留时间应该是统计平均意义上的上限值。

Syed等人在节点负载饱和、不考虑公平性和没有Tone碰撞三个假设前提下，针对同步T-Lohi(ST-Lohi)协议的Tone预约过程建立了Markov链模型，并通过该模型求解出预约阶段的平均时间长度，得出如下结论：竞争过程在4个竞争回合的时间内收敛，且不依赖于网络密度。这是本发明需要利用的结论，但还需考虑一下几点：

第一，本发明MT-Lohi协议的设计针对多跳网络，而T-Lohi协议是面向单跳网络(全通网络)的，但是可以将多跳网络中的局部竞争看作单跳网络的全局竞争，只是相邻的节点可能有不同数目的竞争者，但是竞争过程的快速收敛基本不依赖于竞争者数目。

第二，Syed等人研究的结论是在同步情况下得到的，而对于非同步情况，实际上不同的只是：在预约阶段之始，竞争者个数小于单跳范围内节点个数的总和，因此非同步情况下竞争收敛稍有变快。

第三，本发明MT-Lohi协议采用基于优先级的Tone竞争方式，由于优先级的限制，预约阶段之始的竞争者个数小于或等于单跳范围内节点个数的总和，所以它对竞争收敛速度的影响类似于以上第二点。

第四，本发明在确定退避窗口大小时，网络中不同密度区域的节点对应不同的扩充因子：对于密度相对稀疏的网络区域的节点，其退避窗口大小比实际的竞争者个数要大，但是竞争过程的快速收敛基本不依赖于竞争者数目。

鉴于以上几点，可以在本发明MT-Lohi协议中合理地应用上述结论，即本节点在进入阻塞状态之前，如果检测到竞争者数目大于或等于2，则在阻塞状态中的预停留时间为：(4-1)CR+T_data+τ_max，其中，(4-1)CR为本次预约阶段还将持续的平均时间上限，T_data+τ_max为数据阶段的持续时间。如果检测到竞争者数目等于1，则T_b＝τ_max+T_data。

关键参数的确定

在MT-Lohi协议中有三个重要参数：发送伪Tone的判断周期T_pt、发送数据后的静默时间以及在预阻塞状态下的侦听时间。

1)发送伪Tone的判断周期T_pt

通过推导确定T_pt的取值，碰撞条件的时间分析如图5所示。由图5可知，节点A的数据和节点B的数据在节点C处相撞的条件是：

|(t₁+CR_A+T_data-T_tone)-(t₂+CR_B+T_data-T_tone)|≤T_data(2)

其中，t₁为节点C收到了节点A的CT的时刻，t₂为节点C收到了节点B的CT的时刻，CR_A和CR_B分别为节点A和节点B当前的竞争回合长度。上式变换如下：

-T_data≤(t₁-t₂)+(CR_A-CR_B)≤T_data(3)

-T_data-(CR_A-CR_B)≤t₁-t₂≤T_data-(CR_A-CR_B)(4)

令ΔCR＝CR_A-CR_B，将式(1)代入得：

ΔCR＝(γ_A-γ_B)(τ_max+T_tone)

＝[γ(CTC_A，n_A)-γ(CTC_B，n_B)](τ_max+T_tone)(5)

对于节点A和节点B而言，若CTC_A＞1，CTC_B＞1，则可直接依赖竞争退避机制来避免数据在节点C处相撞；只有当它们在发送CT后都成功预约信道、发送数据时，即当满足CTC_A＝1，CTC_B＝1时，在上述条件下才会发生数据碰撞，因此节点C才有必要发送PT。于是上式(5)为：

ΔCR＝[γ(1，n_A)-γ(1，n_B)](τ_max+T_tone)(6)

又因为γ＝γ(1，n)是n的单调减函数，所以：

-[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)≤ΔCR

≤[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)(7)

将式(7)代入上式(4)得：

-T_data-[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)≤t₁-t₂

≤T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)(8)

即：

|t₁-t₂|≤T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)(9)

所以：

T_pt＝T_data+[γ(1，n_min)-γ(1，n_max)](τ_max+T_tone)(10)

2)发送数据后的静默时间

节点发送数据后的静默时间设定为τ_max，以确保在本节点发送的数据到达所有邻居节点之后，本节点才开始下一轮预约，防止本节点持续占用信道或者较远的邻居节点无机会参与竞争而导致不公平性。

3)在预阻塞状态的侦听时间

节点在预阻塞状态停留的时间设定为τ_max。设节点A发送CT后经传播延时τ到达节点B，使节点B进入预阻塞状态，若以B节点收到该CT的时刻为时间零点，则节点A最快会在(CR+0-τ-T_tone)时再次发CT，该CT到达节点B的时刻为：T₁＝(CR+0-τ-T_tone)+τ＝CR-T_tone，而节点B退出预阻塞状态的时刻为T₂＝τ_max。显然，T₁＝CR-T_tone＝(1+γ)τ_max+γT_tone＞T₂(0＜γ≤1)，所以，预阻塞状态下的侦听时间τ_max可以保证节点每次在预阻塞状态中不会收到同一节点连续两次发送的CT，从而保证CTC不会重复计数。如果预阻塞状态下的侦听时间比τ_max小，则CTC的计数不够充分，因而不能准确反映本地的竞争强度，导致阻塞状态中的预停留时间的设定出现偏差。

仿真实施例：

仿真参数如下：发送速率2000bit/s；传播速度为1500m/s；Tone包长度为32bit，则Tone包的发送(或接收)时间为数据包长为一个仿真变量，各节点的负载服从Poisson到达过程(其参数用于调节负载大小)；MAC缓冲队列容量为20个数据包；竞争标志队列CFQ的长度设为20；相邻节点间的最大距离为1500m，网络规模是一个仿真变量；数据传送采用随机路由方式，节点的业务量包括输入负载和中继的数据包。每组仿真的时间设为4小时，每组仿真运行5次，取平均得到仿真结果。为了分析和验证MAC协议本身的性能表现，在仿真中忽略了噪声和多径的影响，而仅考虑由于收发冲突和碰撞造成的丢包。

网络性能指标：

(1)吞吐量定义为：平均单位节点单位时间内发送的数据比特数；对该吞吐量乘以(1-η)(η为丢包率)可得到平均单位节点单位时间内成功传递的数据比特数。

(2)丢包率定义为：所有节点发送的数据包总数与所有节点收到的给自己的数据包总数的差，除以发送的总包数所得的比值。

(3)公平性采用Jain’s公平性指数来衡量：这里M表示网络中节点的总数，x_i表示网络中第i个节点成功发送的数据包个数；仿真中网络负载分布均匀，若负载分布不均匀，则x_i还需要除以一个标志节点负载相对大小的比率。

参看图6，网络规模为36个节点，在不同的数据包长下，单位节点的平均吞吐量与平均节点业务量的变化关系。图中的垂直的虚线表示平均每节点所能处理的最大业务量，即业务量饱和点(约0.07包/秒)，在该点以下，吞吐量随业务量增大而迅速上升，当业务量到达饱和点时，吞吐量达到最大，而业务量继续增大，吞吐量将保持平稳。MT-Lohi协议具有这种良好而稳定的吞吐量性能，是因为它能有效地统计实际的竞争者个数，并在此基础上进行动态、高效的退避，从而在不同的竞争强度下都能保持较为恒定的预约周期。此外，图6还反映了数据包长对吞吐量的影响：数据包长的增大能带来吞吐量的提高。但是，如果吞吐量以成功传递的数据量来统计，进一步仿真表明，当包长增大到一定程度时，吞吐量呈现下降趋势，这是因为：随着包长的不断增长，吞吐量提升的速度逐渐变缓(吞吐量始终小于发送速率)，而更重要的是，不断升高的丢包率将导致吞吐量的严重损失。

参看图7，当业务量饱和时，在不同的数据包长下，单位节点的平均吞吐量与网络规模的变化关系。随着网络规模的扩大，节点的吞吐量性能单调下降，而下降的速度逐渐变缓，当网络规模扩大到一定程度时，节点吞吐量趋于平稳。

参看图8，图7中曲线的总体规律与Piyush Gupta等人在论文“The Capacityof Wireless Networks”中的研究结果相一致，即单位节点的吞吐量随着网络规模的增大而下降，但是本发明节点吞吐量下降的速度有所改善，如图8所示。图中，本发明的仿真结果是在业务量饱和、数据包长为320bit的情况下得到的；此外，两条节点吞吐量曲线具有相同的起点，从而便于比较两者随网络规模下降的速度。

参看图9，网络规模为36个节点，在不同的数据包长下，丢包率与平均节点业务量的变化关系。随着业务量的增加，丢包率和吞吐量有相似的变化规律，当业务量较小时，丢包率随业务量的增大而快速上升，当业务量达到饱和之后，丢包率保持恒定；此外，数据包越长越容易发生冲突和碰撞，所以丢包率越大。

参看图10，反映了在饱和业务量下丢包率与网络规模的关系：对于不同的数据包长，丢包率都基本不依赖于网络规模的大小；当网络规模扩大10倍(节点总数和网络覆盖面积同比扩大)时，丢包率的上升幅度仅在0.015以内，这表明MT-Lohi协议具有稳定的可靠性。

参看图11，在不同的网络规模下，公平性指数与平均节点业务量的变化关系。可见，对于不同的业务量和不同的网络规模，协议都能取得较高(0.95以上)且平稳的公平性能。

在单跳网络中，接入公平性主要取决于退避算法，Syed等人在T-Lohi协议中比较了基于竞争者计数的退避方法和二进制指数退避算法下节点接入的公平性，结果表明：前者的Jain’s公平性指数远高于后者，达到0.9以上，且保持平稳。但是，在多跳网络的分布式竞争中，节点接入的公平性不仅依赖于退避算法，还受节点分布密度的影响，即使在相同的节点业务量下，稀疏区域内的节点比密集区域内的节点面临更少的竞争者，因而更容易获取信道、发送数据。所以，在本发明的MT-Lohi协议中，将基于竞争者计数的退避方法和基于优先权的竞争策略结合起来，从而使协议取得了良好的公平性；此外，用因子扩充退避窗口大小，既能避免频繁发送没有竞争力的CT从而节省能量，又使协议的公平性略有提升。

Claims (1)

1.一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配置网络参数，包括最大的单跳传播时延τ_max，Tone包的发送或接收时间T_tone，数据包的发送或接收时间T_data，网络中最密集区域内节点的邻居节点数n_max，网络中最稀疏区域内节点的邻居节点数n_min；

定义网络中传输的Tone包和数据包，Tone包由“类型”、“发送节点编号”、“接收节点编号”、“优先权值”四个域组成，其中“类型”域为竞争Tone即CT或伪Tone即PT，CT用于预约信道，PT用于制造虚拟竞争以防止隐藏终端问题造成的数据碰撞，对每个节点而言，发送PT的条件是：在持续时间T_pt＝T_data+[γ(1,n_min)-γ(1,n_max)](τ_max+T_tone)内收到的CT个数大于1且其中包含发给自己的CT，则发送PT；CT包中的“优先权值”用于标志本节点当前参与竞争的优先级，同时节点内部有一个竞争标志队列CFQ，用于记录本节点每次发CT竞争的结果：竞争成功则将“1”插入队列，否则将“0”插入队列，同时将队列中最早的记录删除，CT包中的“优先权值”为CFQ中所有记录之和，该值越小，表示本节点在此次竞争中的优先级越高，该域初始化值为0；数据包由“接收节点编号”、“发送节点编号”、“目的节点编号”和“数据信息”四个域组成，其中“数据信息”域中保存着需要发送的数据信息，“目的节点编号”是该数据包最终要传递到的节点的编号，“接收节点编号”是数据包在本跳传递时目标接收者的编号，“发送节点编号”是数据包的发送者的编号；

(2)设定网络的通信时间T_com；

(3)节点处于空闲状态时，如果本节点有数据需要发送，则跳至(4)；如果收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT或者PT，则跳至(8)；当通信时间长度到达设定的通信时间T_com时，执行步骤(11)；

(4)计算当前竞争回合的时间长度：CR＝(1+γ)(τ_max+T_tone)，其中，n为本节点的邻居节点数目，预约信道的邻居节点互为竞争者，某个节点的竞争者就是指它的邻居节点中跟它在同一时间内预约信道的那些节点；CTC表示本节点最新统计的竞争者个数，CTC初值为0；发送竞争Tone，然后侦听邻居节点发送的Tone，并等待该CR结束，记录收到的伪Tone数目PTC，并更新竞争者个数CTC，即发给本节点或本节点之邻居节点的CT中，优先级最高的Tone个数；如果满足发送PT的条件，则发送PT；

(5)当CR结束时，如果本节点的优先级是唯一最高的，且没有收到PT，则预约信道成功，跳至(6)；如果本节点的优先级是唯一最高的，但PTC不等于0，或者本节点的优先级是最高的，但不是唯一最高的，则跳至(7)进行退避；如果本节点的优先级不是最高的，则跳至(9)直接执行退让；

(6)发送数据，然后静默一段时间τ_max，当τ_max结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(7)进入退避状态，按以下算法执行随机退避：先计算退避窗口大小W：若CTC等于1且PTC大于0，则否则再以[0,W)上的均匀分布随机生成一个w，执行时间长度为w·CR的退避，如果在w·CR结束之前收到了发给本节点或本节点之邻居节点的CT，跳至(8)；当w·CR结束时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)，否则跳至(4)；

(8)进入预阻塞状态，侦听一段时间τ_max，并及时更新CTC，若满足发送PT的条件则发送PT；当τ_max结束时跳至(9)；

(9)用如下算法设定在阻塞状态中的预停留时间T_b：若CTC等于0，T_b＝0，若CTC等于1，T_b＝τ_max+T_data，若CTC大于1，则T_b＝3·CR+τ_max+T_data；然后进入阻塞状态，跳至(10)；

(10)在阻塞状态中，如果发送PT的条件满足则立即发送PT；当T_b结束或者收到发给本节点或本节点之邻居节点的数据时，如果通信时间长度大于设定的通信时间T_com，则跳至(11)；否则：若本节点没有数据需要发送，则跳至(3)，若本节点有数据需要发送，则跳至(4)；

(11)通信结束。