CN103312697B - 基于时空公平的水下传感器网络mac协议实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下传感器网络数据传输技术，具体是针对水下传感器网络水声长传播延时特性导致的时空不确定性，提出了响应最先请求水下传感器网络MAC协议（RFR-MAC）以实现时空公平性。本发明通过动态调整RTS竞争阶段，从而确定时间上最先请求数据传输的节点优先传输数据，还引入了CTS延迟阶段推迟发送CTS控制帧以避免数据帧的冲突，并使用CTS退避机制动态延长CTS延迟阶段，同时采用竞争退避机制进一步提高节点竞争信道的时空公平性。实验表明该协议具有很好的空间公平性，同时该协议具备较好的吞吐量、较低的能耗及时延。

Description

基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法

技术领域

本发明属于水下传感器网络数据传输技术，具体是针对水下传感器网络水声长传播延时特性导致的时空不确定性，提出了响应最先请求水下传感器网络MAC协议(RFR-MAC)以实现时空公平性。

背景技术

随着计算机技术、微电子技术以及通信技术的发展,水下传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetworks，UWSNs)的相关技术也迅速发展起来,并且广泛地应用于海洋数据采集、污染检测、海上探测、灾难预警、援助导航和战略监测等方面。为保障水下数据的高效传输，MAC(MediaAccessControl)协议设计是水下传感器网络研究的一个重要方面，其对水下网络流量和数据传输效率有直接影响，是保证水下无线传感网络高效通信关键基础内容之一。然而，与传统地面无线传感器网络使用无线电信号不同，UWSNs主要采用声学信道通信方式，具有传播时延大、通信带宽低、误码率高等显著特点。

针对水声无线传感网络，NitthitaChirdchoo等人提出了改进的Aloha协议，该协议将Aloha与载波监听策略相结合，节点利用短的预约帧竞争信道，并在预约帧中添加节点即将要发送数据的相关信息，其它节点通过侦听信道获得邻居节点的发送信息，并以此计算出自己所用信道的繁忙时间，从而在这段时间内转入休眠状态；该协议虽然减少了能量的消耗，有着较高的网络流量，但是其对于距离相对较远的节点缺乏公平性，存在远距离的发送节点先发送的信道请求，但是后到达接受节点，导致信道竞争失败，预约信道缺乏一定的公平性。

R-MAC协议通过三阶段数据交换机制分配信道资源，提高了在水下传感器网络介质访问的公平性。节点在预约时隙内进行数据传输。协议首先确定节点间的传播延时，再交换节点间的监听/睡眠时间调度表，最后预约信道进行数据通信。R-MAC虽然考虑了预约信道的公平性，但是其采用的监听/睡眠机制，导致网络的吞吐量较低，不适用于密集型的网络。

A.Syed等人指出水声信道的高时延特性带来了信道竞争协议的不公平问题，并提出T-LohiMAC协议来解决此问题。但T-Lohi协议没有考虑隐藏终端问题，使得协议的吞吐量比较低。

W.Liao等人针对节点对空间公平性问题提出了SF-MAC协议，采用RTS/CTS(reuesttosend/ClearToSend)握手机制避免隐藏终端的问题，利用RTS竞争周期接受所有RTS请求帧，并使用概率准则来判断可能最先发送RTS帧的节点，保证空间的公平性。SF-MAC协议采用的是固定RTS竞争周期，握手时长较长，严重影响了网络的吞吐量。

发明内容

为了解决上述背景技术中水下传感器网络普遍存在的传播时延大、通信带宽低、误码率高等缺点；改进的Aloha协议中存在的预约信道缺乏公平性问题；R-MAC协议导致的网络吞吐量较低，不适用于密集型的网络问题；SF-MAC协议握手时长较长，严重影响了网络的吞吐量等问题，本发明提出了一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，该协议采用RTS竞争机制，使得节点能够在时间上公平地竞争信道；直接使用RTS竞争机制，以响应最先请求的方式分配信道，有效提高吞吐量；添加BCTS(BeforehandCTS,BCTS)帧，有效避免了隐藏终端，提高了吞吐量；采用动态调整RTS竞争阶段的时长的方法，提高网络吞吐量。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其中：

基于接收端的通信过程包括如下步骤：

(1)空闲侦听：接收节点不断监听信道；

(2)RTS竞争：当接收节点捕获到RTS帧时，进入RTS竞争阶段，启动RTS计时器，其时长为当前时刻到RTS竞争阶段的结束时刻；在RTS竞争阶段内，接收节点每收到一个RTS帧，根据其发送时刻确定当前最先发送请求的发送节点，如有更早发送的RTS帧则更新当前最先发送RTS帧的节点、RTS竞争阶段的结束时刻以及RTS计时器的时长；

(3)CTS延迟：当RTS计时器超时时，接收节点进入CTS延迟阶段，启动CTS计时器，其时长初始值为最大传播时长R/V，其中，R为水声信号的最大传输半径，V水下声音的传输速度；

(4)数据传输：当CTS计时器超时时，接收节点发送CTS帧，接收节点进入数据传输阶段，并启动接收计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如果在接收计时器的时间内，接收节点接收到数据包，则取消接收计时器，接收节点进入空闲侦听状态；当接收计时器超时时，接收节点进入空闲侦听状态；

基于发送端的通信过程包括如下步骤：

(1)空闲侦听：发送节点不断侦听信道确定信道是否被占用；

(2)竞争等待：当发送节点捕获到其他节点RTS帧或自身发送的RTS帧时，启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态；

(3)数据传输：当发送节点捕获到CTS帧，且该CTS帧为节点自身的回复帧时，该发送节点取消竞争计时器，进入数据传输阶段，向接收节点发送数据包，数据包发送结束且数据包在信道中传播最大传播时长R/V后，该发送节点进入空闲侦听状态；

(4)睡眠阶段：当发送节点捕获到CTS帧且该CTS帧为回复其他节点的回复帧，则取消竞争计时器，该发送节点转为睡眠阶段并启动睡眠计时器，睡眠计时器的时长至此次数据通信的结束时刻；如睡眠计时器超时，则该节点转为空闲侦听状态。

进一步地，在基于接收端的通信过程步骤(2)中添加BCTS帧，当接收节点接收到第一个RST帧时，立刻广播通知邻居节点当前信道被占用；相对应的，基于发送端的通信过程步骤(2)中，当发送节点侦听到BCTS帧后，如已处于竞争等待阶段，则更新计时器时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如不处于竞争等待阶段，则启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态。

进一步地，在基于接收端的通信过程步骤(3)中当接收节点在CTS延迟阶段结束时刻仍有RTS帧到达时，接收节点根据公式(1)动态延长CTS计时器时长q，

$q=k_i=\left\{\begin{array}{cc}T+T_c& ,i=0\\ T+T_c+\frac{k_{i-1}}{2}-\frac{\mathrm{\&delta;}}{2}& ,i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}<2T\\ 2T+2T_c-\mathrm{\&delta;}& ,i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}\&GreaterEqual;2T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T为最大传播时长R/V，T_c为控制帧的传输时长，δ为RTS竞争阶段的时长，i表示延长CTS计时器时长的次数，k_i表示第i次延长CTS计时器时长后CTS计时器的总时长。

进一步地，在基于发送端的通信过程步骤(2)中引入竞争退避机制，即上一轮的竞争节点延迟α(x)时间发送RTS帧，α(x)为

$\mathrm{\&alpha;}\left(x\right)=(random\&lsqb;0,1\&rsqb;+(1-\frac{CN\left(x\right)}{n}\left)\right)\&times;CW$

其中，n为接收节点通信范围内所有邻居节点的节点数；CN(x)表示节点X为当前数据包竞争信道的次数，如数据包发送成功则归为0，CN(x)的最大值为n，CW为竞争窗口大小。

本发明采用上述技术方案有如下有益效果：

1.该协议解决时空的不公平问题，以优先发送RTS帧优先获得信道满足了时间公平性，以及不因距离接收节点的远近，公平竞争信道的空间公平性。

2.具有很好的吞吐量：信道的利用率完全可以用吞吐量体现出来。不管是从数据率的变化方面还是竞争节点个数的变化方面，RFR-MAC协议都具有很好的吞吐量。RFR-MAC协议采用的是动态调整的RTS竞争阶段和CTS延迟阶段，在避免数据帧冲突的情况下有效的缩短了竞争信道的握手时长，提高了网络的吞吐量。

3.较低的能耗：能耗是水下传感器网络中考虑的重要方面，很低的能耗能够有效的延长网络的生存周期。RFR-MAC缩短了握手时长，减少了各个节点等待的时间以及避免了碰撞，降低了能耗从而又提高了网络的吞吐量。

4.较低的包传递时延：由于RFR-MAC协议使用动态调整的RTS竞争阶段和CTS延时阶段使得握手时长变短，进而使得包的传递延时变短。

附图说明

图1模拟环境下节点部署示意图。

图2协议帧的结构。

图3接收节点流程图。

图4发送节点流程图。

图5在RTS竞争阶段添加BCTS避免隐藏节点引起数据冲突。

图6CTS延迟阶段时长分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例以及结果对本发明进行分析：

本发明采用康涅狄格大学水下传感器网络实验室开发的Aqua-sim软件包作为实验平台，使用C++和OTcl(面向对象的Tcl语言)作为开发语言。

在传感器网络的监控应用中，传感器节点通过自组织、多跳通信的方式将大量感知数据传给少数数据中心(sink)节点，数据传输呈现出明显漏斗形状，即多到一通信模式。图1描述了网络模型，其采用单个接受节点(汇聚节点)和多个发送节点(竞争节点)，所有发送节点随机地分布在接受节点的通信范围内。

对于能耗，采用声学调剂解调器的参数：传输功率50W，接收功率3W，空闲功率80mW，传感器节点以及主要实验参数设置如表1所示。

表1试验参数

进行数据通信实验时，4个关键帧(RTS、CTS、BCTS、DATA)的结构如图2所示。字段类型表示帧的类型，用于区别帧；字段ID为每个节点独一无二的编号，用于确定节点；字段节点邻居数是接收节点的邻居节点的数量，包含在BCTS帧中通知给邻居节点(在竞争退避机制中使用到)；字段发送时刻记录该帧的发送时刻；字段传播时长记录接收节点与回复节点之间的传播时长(计算此次通信结束时刻用到)；DATA帧中的字段长度表示数据字段的长度；校验用于DATA帧的验证。

本发明描述了一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，该协议的实现方法分为两个部分：如图3所示，图中描述了基于接收端的通信过程：

(1)空闲侦听：接收节点不断监听信道；

(2)RTS竞争：当接收节点捕获到RTS帧时，进入RTS竞争阶段，启动RTS计时器，其时长为当前时刻到RTS竞争阶段的结束时刻；在RTS竞争阶段内，接收节点每收到一个RTS帧，根据其发送时刻确定当前最先发送请求的发送节点，如有更早发送的RTS帧则更新当前最先发送RTS帧的节点、RTS竞争阶段的结束时刻以及RTS计时器的时长；

(3)CTS延迟：当RTS计时器超时时，接收节点进入CTS延迟阶段，启动CTS计时器，其时长初始值为最大传播时长R/V(最大通信半径R/水声传播速度V)；

(4)数据传输：当CTS计时器超时时，接收节点发送CTS帧，接收节点进入数据传输阶段，并启动接收计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如果在接收计时器的时间内，接收节点接收到数据包，则取消接收计时器，接收节点进入空闲侦听状态；当接收计时器超时时，接收节点进入空闲侦听状态；

如图4所示，图中描述了基于发送端的通信过程：

(1)空闲侦听：发送节点不断侦听信道确定信道是否被占用；

(2)竞争等待：当发送节点捕获到其他节点RTS帧或自身发送的RTS帧时，启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态；

(3)数据传输：当发送节点捕获到CTS帧，且该CTS帧为节点自身的回复帧时，该发送节点取消竞争计时器，进入数据传输阶段，向接收节点发送数据包，数据包发送结束且数据包在信道中传播最大传播时长R/V后，该发送节点进入空闲侦听状态；

(4)睡眠阶段：当发送节点捕获到CTS帧且该CTS帧为回复其他节点的回复帧，则取消竞争计时器，该发送节点转为睡眠阶段并启动睡眠计时器，睡眠计时器的时长至此次数据通信的结束时刻；如睡眠计时器超时，则该节点转为空闲侦听状态。

作为本发明的优选实施例，本发明还提出了在基于接收端的通信过程步骤(2)RTS竞争阶段中添加BCTS帧，当接收节点接到到第一个RST帧时，立刻广播通知邻居节点当前信道被占用；相对应的，基于发送端的通信过程步骤(2)中，当发送节点侦听到BCTS帧后，如已处于竞争等待阶段，则更新计时器时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如不处于竞争等待阶段，则启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态。

如图5所示，节点N为接收节点，其邻居节点有A、B和F。节点A获得信道并发送数据，然而节点B在节点A的最大通信范围外，如没有添加BCTS帧，则B节点可能在听到CTS前发送RTS(B₂)给N，此时在节点N处可能会导致数据碰撞。为了解决这个问题，接收节点N捕获到第一个RTS帧后广播BCTS帧。节点B监听到BCTS之后，则保持沉默。因此，当CTS延迟阶段较长时可以有效的避免了隐藏节点发送请求引起的数据帧的冲突。

为了避免数据冲突，作为本发明的优选实施例，本发明增加了CTS延迟阶段并实行动态调整，缩短竞争信道握手时长，起到减少时延和能耗以及避免冲突的作用。即在基于接收端的通信过程步骤(3)中当接收节点在CTS延迟阶段结束时刻仍有RTS帧到达时，接收节点根据公式(1)动态延长CTS计时器时长q，

$q=k_i=\left\{\begin{array}{cc}T+T_c& ,i=0\\ T+T_c+\frac{k_{i-1}}{2}-\frac{\mathrm{\&delta;}}{2}& ,i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}<2T\\ 2T+2T_c-\mathrm{\&delta;}& ,i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}\&GreaterEqual;2T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T为最大传播时长R/V，Tc为控制帧的传输时长，δ为RTS竞争阶段的时长，i表示延长CTS计时器时长的次数，ki表示第i次延长CTS计时器时长后CTS计时器的总时长。

图6为CTS延迟阶段的时长分析，CTS延迟阶段具体包括以下几个步骤：

步骤a：CTS延迟阶段的时长初始值设置为R/V，如在CTS延迟阶段结束时刻信道正忙，即有帧到达接收节点时，则不发送CTS并且转步骤b，如信道正空闲则转步骤c；

步骤b：根据CTS竞争退避机制动态延长CTS延迟阶段，并同时更新CTS计时器的时长至新的CTS延迟阶段的结束时刻。如在新的CTS延迟阶段的结束时刻，信道正忙，则继续转步骤b，如信道空闲则转步骤c；

步骤c：形成CTS帧并发送CTS帧，更改接收节点的CTS状态为接收状态，并启动接收计时器。

作为本发明的优选实施例，本发明在基于发送端的通信过程步骤(2)中引入竞争退避机制，即上一轮的竞争节点延迟α(x)时间发送RTS帧，α(x)为

$\mathrm{\&alpha;}\left(x\right)=(random\&lsqb;0,1\&rsqb;+(1-\frac{CN\left(x\right)}{n}\left)\right)\&times;CW$

其中，n为接收节点通信范围内所有邻居节点的节点数；CN(x)表示节点X为当前数据包竞争信道的次数，如数据包发送成功则归为0，CN(x)的最大值为n，CW为竞争窗口大小。

竞争退避机制可起到降低网络拥塞和能耗，以及提高公平性的作用。竞争退避机制的具体步骤为：

步骤a：信道处于空闲状态，如有数据发送，根据竞争退避机制的计算公式计算出时延的时间t2，启动竞争计时器，其时长为t2(即在t2时长之后发送RTS帧)，转步骤b；

步骤b：如竞争计时器还没超时之前，捕获到BCTS帧或RTS帧，说明信道正被使用，转步骤c。如竞争计时器超时，没有捕获到任何帧说明信道可能空闲，发送RTS帧；

步骤c：更改状态为沉默状态，并更新竞争计时器。

本发明采用Aqua-sim软件包作为实验平台，主要针对水下传感器汇聚网络模型，设计完成了一种时空公平的MAC协议实现方法，具有高公平性、低延迟和低能耗以及高吞吐量等优点。

Claims (4)

1.一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于，

基于接收端的通信过程包括如下步骤：

(1)空闲侦听：接收节点不断监听信道；

(2)RTS竞争：当接收节点捕获到RTS帧时，进入RTS竞争阶段，启动RTS计时器，其时长为当前时刻到RTS竞争阶段的结束时刻；在RTS竞争阶段内，接收节点每收到一个RTS帧，根据其发送时刻确定当前最先发送请求的发送节点，如有更早发送的RTS帧则更新当前最先发送RTS帧的节点、RTS竞争阶段的结束时刻以及RTS计时器的时长；

(3)CTS延迟：当RTS计时器超时时，接收节点进入CTS延迟阶段，启动CTS计时器，其时长初始值为最大传播时长R/V，其中，R为水声信号的最大传输半径，V水下声音的传输速度；

(4)数据传输：当CTS计时器超时时，接收节点发送CTS帧，接收节点进入数据传输阶段，并启动接收计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如果在接收计时器的时间内，接收节点接收到数据包，则取消接收计时器，接收节点进入空闲侦听状态；当接收计时器超时时，接收节点进入空闲侦听状态；

基于发送端的通信过程包括如下步骤：

(1)空闲侦听：发送节点不断侦听信道确定信道是否被占用；

(2)竞争等待：当发送节点捕获到其他节点RTS帧或自身发送的RTS帧时，启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态；

(3)数据传输：当发送节点捕获到CTS帧，且该CTS帧为节点自身的回复帧时，该发送节点取消竞争计时器，进入数据传输阶段，向接收节点发送数据包，数据包发送结束且数据包在信道中传播最大传播时长R/V后，该发送节点进入空闲侦听状态；

(4)睡眠阶段：当发送节点捕获到CTS帧且该CTS帧为回复其他节点的回复帧，则取消竞争计时器，该发送节点转为睡眠阶段并启动睡眠计时器，睡眠计时器的时长至此次数据通信的结束时刻；如睡眠计时器超时，则该节点转为空闲侦听状态。

2.如权利要求1所述的基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于，在基于接收端的通信过程步骤(2)中添加BCTS帧，当接收节点接收到第一个RST帧时，立刻广播通知邻居节点当前信道被占用；相对应的，基于发送端的通信过程步骤(2)中，当发送节点侦听到BCTS帧后，如已处于竞争等待阶段，则更新计时器时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如不处于竞争等待阶段，则启动竞争计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，该发送节点暂停发送RTS帧，进入竞争等待阶段，当竞争计时器超时，该发送节点进入空闲侦听状态。

3.如权利要求1所述的基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于，在基于接收端的通信过程步骤(3)中当接收节点在CTS延迟阶段结束时刻仍有RTS帧到达时，接收节点根据公式(1)动态延长CTS计时器时长q，

$q=k_i=\left\{\begin{array}{cc}T+T_c,& i=0\\ T+T_c+\frac{k_{i-1}}{2}-\frac{\mathrm{\&delta;}}{2},& i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}<2T\\ 2T+2T_c-\mathrm{\&delta;},& i>0,k_{i-1}+\mathrm{\&delta;}\&GreaterEqual;2T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T为最大传播时长R/V，T_c为控制帧的传输时长，δ为RTS竞争阶段的时长，i表示延长CTS计时器时长的次数，k_i表示第i次延长CTS计时器时长后CTS计时器的总时长。

4.如权利要求2所述的基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于，在基于发送端的通信过程步骤(2)中引入竞争退避机制，即上一轮的竞争节点延迟α(x)时间发送RTS帧，α(x)为

$\mathrm{\&alpha;}\left(x\right)=(random\&lsqb;0,1\&rsqb;+(1-\frac{CN\left(x\right)}{n}\left)\right)\&times;CW$

其中，n为接收节点通信范围内所有邻居节点的节点数；CN(x)表示节点X为当前数据包竞争信道的次数，如数据包发送成功则归为0，CN(x)的最大值为n，CW为竞争窗口大小。