CN102612091B - 水下传感器网络中基于空间公平的介质访问控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于本发明涉及水下传感器网络通信技术领域，提出了一种水下传感器网络中基于空间公平的介质访问控制方法，包括：每个节点发送的请求报文内均设置时间标签；为每个节点设置一个竞争计数器，统计该节点参与竞争的次数，一旦竞争成功可以进行数据传输，计数器清零；接收节点在收到请求报文后，推迟一段时间后再发送应答报文，称为SD阶段；接收节点查询SD阶段内收到的请求报文包内包含的竞争次数信息，一旦检测到某些节点的竞争次数超过竞争阈值，则在将此发送节点权值设置高，放入高权值队列，否则权值设置为低，放入低权值队列。本发明在多竞争情况下，可以实现传输的公平性。
Description
技术领域
本发明涉及水下传感器网络通信技术领域，具体的讲是一种介质访问控制层节点进行公平性传输的方法。
背景技术
陆地的无线通信通常使用电磁波和光波作为载波来进行传输，但是在水下环境中，由于衰减等原因，不适合使用以上两者作为载波。相比较之下，声波在水下环境中传播的特性最好，也是唯一一种能在水介质中进行长距离传输的信息传输手段。所以，水下无线传感器网络是以声波作为载波的无线通信网络。
影响水声通信的物理因素主要有：较长且变化的传播延迟，路径损耗大，多径传输严重，多普勒频移扩散等。所有这些因素决定了水声信道的时空变化特性，并使得水下声信道的可用带宽资源非常有限。
尽管陆地上存在许多成熟的媒介访问控制协议，但是由于水下声学传感器网络的长传播延迟以及水下环境特性，使得这些MAC协议并不适用。水介质中较长的传播延迟使得我们必须考虑接收节点以及潜在竞争节点的位置。此外，水下无线传感器网络中还存在时空不确定的问题，它是指在接收时间的不确定性取决于传输时间(时间不确定)以及从发送到接收的相对传播延迟(空间的不确定性)。陆地的MAC协议通常只考虑时间不确定性。然而许多水下网络设计的MAC协议通常关注于冲突避免以及节能两方面，多数是使用强制性的长时间轮候，并添加保护频带，或者是提出一种新的退避算法，但却并没有考虑由上述的空间不确定性导致的空间不公平问题。
所谓的公平性问题，是指节点或者数据流在访问信道上存在不公平现象，情况严重时甚至可能出现单个节点或者数据流独占信道带宽资源而其他节点或数据流完全处于“饥饿”的状态。即，MAC层的公平性是指共享媒体的各个节点均匀地利用资源的能力。
公平性在无线通信的性能测量中是一个很重要的因素，它往往意味着网络资源的平均分配。在计算机网络中，某些应用可能需要相同时延，相同吞吐量，相同的能量消耗或者为所有用户共享资源提供相同的能力。在水声介质中，离接收节点近的节点往往更容易接入信道，而距离接收节点远的有可能一直捕获不到信道。
发明内容
为了改善将现有的介质访问控制协议应用于水下无线传感器网络时，由于空间不确定性引起的不公平性问题，本发明提出了一种适用于水下无线传感器网络，能够达到传输公平性的介质访问控制方法。
一种水下传感器网络中基于空间公平的介质访问控制方法，该方法包括下列几个方面：
1)每个节点发送的请求报文UW-REQ内均设置时间标签，记录发送该请求报文的时间以及接收节点接收到该报文的时间；
2)为每个节点设置一个竞争计数器，统计该节点参与竞争的次数，一旦竞争成功可以进行数据传输，计数器清零，竞争次数储存在请求报文UW-REQ内，并在请求报文UW-REQ内存储每个节点的竞争权值；
3)接收节点在收到请求报文UW-REQ后，推迟一段时间后再发送应答报文UW-REP，这一段时间称为SD阶段；接收节点在此阶段，侦听此阶段内周围邻居节点发送的所有的请求报文UW-REQ，并在收到第一个请求报文UW-REQ后发送一个推迟的应答报文Delay UW-REP来通知周围邻居节点它正在准备传输数据；隐藏节点也会在侦听到Delay UW-REP后保持睡眠状态；
4)接收节点查询SD阶段内收到的UW-REQ包内包含的竞争次数信息，一旦检测到某些节点的竞争次数超过竞争阈值，则在将此发送节点权值设置高，放入高权值队列HP，否则权值设置为低，放入低权值队列LP；
5)接收节点优先检测HP队列内UW-REQ的时间标签并进行数据传输；
6)接收节点比较收到的各UW-REQ报文内的时间标签，判断最先发送报文的节点，然后回应UW-REP包，此时，最先发送报文的节点就可以和接收节点进行数据传输，而其他邻居节点则进入睡眠状态。
作为优选实施方式，SD阶段的时间长度设定为2PDMAX-2PDfirst+2Tcontr，其中，PDMAX为最大传播距离对应的最大传播时延，PDfirst是接收节点收到的第一个UW-REQ包传播延迟，Tcontr是控制包的时间长度；若节点竞争次数高于竞争阈值，则竞争权值设置为1.5，将对应节点发送的UW-REQ包放入HP队列；若竞争次数低于竞争阈值，则权值设置为0.8，将对应节点发送的UW-REQ包放入LP队列。
本发明采用一种基于权值队列以及推迟发送UW-REP的方法，以解决空间不确定性引起的不公平性问题，尤其适用于水下声学传感器网络。
附图说明
图1是本发明UW-REQ帧格式。
图2是本发明UW-REP帧格式。
图3是本发明Delay UW-REP，以解决隐藏节点问题。
图4是本发明包含Delay UW-REP时UW-REQ SD的计算方法。
图5是本发明存在高竞争权值的节点时的情况。
图6是本发明各节点竞争权值均为低的情况。
具体实施方式
本发明提出的适用于水下传感器网络的介质访问控制方法，每个节点发送的请求报文UW-REQ内均有时间标签，记录发送该报文的时间以及接收节点接收到该报文的时间，并且，每个节点设置一个竞争计数器，统计该节点参与竞争的次数，一旦竞争成功可以进行数据传输，计数器清零，UW-REQ内包含节点实时竞争次数信息。UW-REQ内设置竞争权值。接收节点在收到UW-REQ后进入Silence Duration(SD)阶段进行侦听，侦听此期间内周围邻居节点发送的所有UW-REQ报文。在收到第一个UW-REQ包后发送一个DelayUW-REP包以避免隐藏节点问题。接收节点查询SD阶段内收到的UW-REQ包内包含的竞争次数信息，一旦检测到某些节点的竞争次数超过竞争阈值，则将此发送节点权值设置高，放入高权值队列HP，否则权值设置为低，放入低权值队列LP。接收节点优先检测HP队列内UW-REQ的时间标签并进行数据传输。接收节点比较收到的各UW-REQ报文内的时间标签，判断最先发送报文的节点，然后回应UW-REP包。此时，判断选择后的节点就可以和接收节点进行数据传输，而其他邻居节点则进入睡眠状态。本发明的更为具体的描述如下：
一：接收节点收到UW-REQ包后将推迟一段时间后发送UW-REP包，因此可以避免碰撞。隐藏节点在发送节点的侦听范围之外，却在接收节点的通信范围内。这些节点因为侦听不到其它发送节点的发送情况，可能同时向接收节点发送报文，造成冲突，而报文的重传降低了信道的利用率。因此用一个Delay UW-REP来解决此问题。节点收到第一个UW-REQ包后，立即广播Delay UW-REP包来通知周围邻居节点它正在准备传输数据。隐藏节点也会在侦听到Delay UW-REP后保持睡眠状态。这样就能保证所有竞争节点发出的UW-REQ包能够在侦听阶段内到达接收节点。
二：接收节点收到UW-REQ包后将推迟一段时间后发送UW-REP包，将这一段时间称为UW-REQ SD，我们必须保证在UW REQ-SD期间，所有竞争节点发出的UW-REQ包均能够到达接收节点。首先根据第一个接收到的UW-REQ包来获得发送时间以及计算出该节点到接收节点间的距离。其次，根据在传输范围内的竞争节点可知的最后发送时间，估计最晚的接收时间。最后，我们就可以保证在最晚接收时间之前，所有的UW-REQ包均可到达接收节点。令UW-REQ SD为
2PDMAX+2Tcontr
考虑到Delay UW-REP，令UW-REQ SD为
2PDMAX-2PDfirst+2Tcontr
其中PDMAX为最大传播距离对应的最大传播时延，PDfirst是接收节点收到的第一个UW-REQ包传播延迟，Tcontr是控制包的时间长度(控制包指的是除了数据包之外的包，这里的控制包具体指的UW-REQ、DelayUW-REP这两种包，统称控制包)。
三：每个节点发送的UW-REQ包含有竞争次数信息。当UW-REQ SD阶段结束后，接收节点根据竞争次数是否超过某一阈值，设置权值。若超过，权值设置为1.5，即为高权值，将对应的UW-REQ放入高权值队列HP；若没有超过阈值，权值设为0.8，即为低权值，放入低权值队列LP。HP内的节点优先与接收节点进行数据传输。
四：每个节点的UW-REQ包内均有时间标签，记录发送该报文的时间以及接收节点接收到该报文的时间。因此根据这些时间标签，可以很容易判断出最先发送UW-REQ包的节点，则接收节点回应UW-REP包，准备接收数据。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，发送节点在发送数据之前首先发送一个请求报文UW-REQ，表明发送节点要向接收节点发送数据。UW-REQ报文中包含如下字段：Frame Control域包含了协议版本，功率控制，保护阵，后续分片指示等字段。RA域为在无线媒质上接收数据或者管理的地址。TA域为发送UW-REQ帧的STA地址。FCS包含了IEEE32-bit的CRC校验。Time Tag记录发送以及接收UW-REQ帧的时间信息。Competition Number记录了节点的竞争次数。Competitive weight是竞争权值。
图2中，接收节点收到UW-REQ后，向所有节点发送应答报文UW-REP，表明已准备就绪，某个发送节点可以发送数据，其余节点则进入睡眠状态。UW-REP报文包含如下字段：Frame Control域与前面相对应，RA内容应该等于前一个对应UW-REQ报文TA的内容。Duration是前一个对应UW-REQ报文Duration值减掉传送这个UW-REP报文以及一个SIFS帧间隔的时间。
图3中，节点A与节点R传输数据的过程中，隐藏节点A’在侦听到UW-REP之前向节点R发送UW-REQ，在节点R处就会导致与A节点的数据包发生碰撞。为了解决这一问题，节点R在收到第一个UW-REQ包后立即广播一个Delay UW-REP包，隐藏节点则会在侦听到Delay UW-REP后保持睡眠状态。因此隐藏节点A’将只是在侦听到Delay UW-REP之前发送UW-REQ，并且这个UW-REQ包也将在节点R的侦听阶段内到达R。
图4中，接收节点收到UW-REQ包后将推迟一段时间后发送UW-REP包，将这一段时间称为UW-REQ SD。PDfirst是节点R收到的第一个UW-REQ包的节点，即节点A的传播延迟，PDMAX为距离接收节点最远的节点，即节点L的最大传播延迟，Tcontr是控制包的时间长度。因此，UW-REQ SD是从节点A的UW-REQ到达开始，到收到节点L的UW-REQ结束。考虑到额外加入的防止隐藏节点碰撞的Delay UW-REP包，因此，更精确的UW-REQ SD时间长度应为
2PDMAX-2PDfirst+2Tcontr
图5中，当UW-REQ SD阶段结束后，共收到A、B、C、D、E五个节点的UW-REQ，接收节点判断优先级，即查询各节点的竞争次数是否超过竞争阈值，其中C、D节点超过，竞争权值设置为1.5，将其放入高权值队列HP队列；其余竞争权值设置为0.8，放入低权值队列LP队列。接收节点只需查询HP内，即C、D节点发送的UW-REQ内的时间标签，判断二者最早发送UW-REQ的节点，本图中，D节点先于C节点发送UW-REQ包，接收节点R向D节点回应UW-REP，与之进行数据传输。
图6中，当UW-REQ SD阶段结束后，共收到A、B、C、D、E五个节点的UW-REQ，接收节点查询各节点的竞争次数是否超过某个阈值，其中所有节点均未超过，竞争权值设置为0.8，均置于低权值队列LP队列。接收节点查询所有节点发送的UW-REQ内的时间标签，判断最早发送UW-REQ的节点，本图中，B节点最先发送UW-REQ包，则节点R向B回应UW-REP，与之进行数据传输。
Claims (3)
1.一种水下传感器网络中基于空间公平的介质访问控制方法，该方法包括下列几个方面：
1)每个节点发送的请求报文UW-REQ内均设置时间标签，记录发送该请求报文的时间以及接收节点接收到该报文的时间；
2)为每个节点设置一个竞争计数器，统计该节点参与竞争的次数，一旦竞争成功进行数据传输，计数器清零，竞争次数储存在请求报文UW-REQ内，并在请求报文UW-REQ内存储每个节点的竞争权值；
3)接收节点在收到请求报文UW-REQ后，推迟一段时间后再发送应答报文UW-REP，这一段时间称为SD阶段；接收节点在此阶段，侦听此阶段内周围邻居节点发送的所有的请求报文UW-REQ，并在收到第一个请求报文UW-REQ后发送一个推迟的应答报文DelayUW-REP来通知周围邻居节点它正在准备传输数据；隐藏节点也会在侦听到DelayUW-REP后保持睡眠状态；
4)接收节点查询SD阶段内收到的UW-REQ包内包含的竞争次数信息，一旦检测到某些节点的竞争次数超过竞争阈值，则将此发送节点权值设置为高，放入高权值队列HP，否则权值设置为低，放入低权值队列LP；
5)接收节点优先检测HP队列内UW-REQ的时间标签并进行数据传输；
6)接收节点比较收到的各UW-REQ报文内的时间标签，判断最先发送报文的节点，然后回应UW-REP包，此时，最先发送报文的节点和接收节点进行数据传输，而其他邻居节点则进入睡眠状态。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，SD阶段的时间长度设定为2PDMAX-2PDfirst+2Tcontr，其中，PDMAX为最大传播距离对应的最大传播时延，PDfirst是接收节点收到的第一个UW-REQ包传播延迟，Tcontr是控制包的时间长度。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，若节点竞争次数高于竞争阈值，则竞争权值设置为1.5，将对应节点发送的UW-REQ包放入HP队列；若竞争次数低于竞争阈值，则权值设置为0.8，将对应节点发送的UW-REQ包放入LP队列。
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