CN103533584A - 一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法 - Google Patents

Abstract

一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法，涉及一种水声传感器网络。基于多信道的水声传感器网络MAC层协议的信道同步问题使用同步调度机制解决，在同步调度机制中，协议将时间轴划分成信标周期，每个信标周期分为传输协商、信道选择和数据传输三个阶段，控制分组在传输协商和信道选择阶段传输，数据分组在数据传输阶段传输，每个节点发送的控制分组将被其他邻居节点有效侦听。多信道隐藏终端问题通过收集邻居节点的工作状态来解决，以接收节点为视觉，侦听邻居节点中干扰节点的工作状态信息，选择与干扰节点不同的信道进行数据传输。提高了空间的复用率和吞吐率。

Description

一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法

技术领域

本发明涉及一种水声传感器网络，尤其涉及一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法。

背景技术

在无线网络环境中，由于网络节点的传输范围有限，存在处于发送节点传输范围之外而在接收节点传输范围之内的邻居节点，此类节点称为隐藏终端；除此之外，还存在处于发送节点传输范围之内而在接收节点范围之外的邻居节点，此类节点称为暴露终端。由于发送节点不能感知隐藏终端的存在，此时发送到接收节点的数据分组可能受隐藏终端发送的数据分组所干扰；同时，暴露终端由于感知了发送节点发送的数据分组而延迟发送数据分组，尽管此时暴露终端发送数据分组不会影响接收节点数据分组的接收，降低了信号传输的空间复用率。

基于RTS/CTS握手机制的MAC协议在陆地无线网络环境中能够有效解决隐藏终端和暴露终端问题，在发送数据分组前通过短控制分组，向发送和接收节点周围的邻居节点发送节点状态信息，邻居节点接收到RTS或CTS控制分组后，隐藏终端将延迟发送避免干扰，暴露终端不受影响继续本节点的发送。但在传播延时较大的水声网络环境中，仍会带来控制分组和数据分组之间的冲突，削弱了基于RTS/CTS机制MAC协议在解决隐藏终端和暴露终端问题上的效果。

多信道MAC协议将控制分组和数据分组在相互独立的信道传输，能够解决单信道协议可能带来的控制分组和数据分组间的冲突，但多信道协议存在信道同步、多信道隐藏终端和信道分配等问题，而且水声信号的长传播延时加大了解决这些问题的难度；同时水声网络节点只有一个半双工收发机，在陆地无线网络环境下使用的多无线网卡多信道MAC协议不再适用于水声网络。

MMAC协议（Jungmin So，Nitin Vaidya.Multi-channel MAC for ad hoc networks:handling multi-channel hidden terminals using a single transceiver.ACMInternational Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MOBIHOC)，May2004.pp.222–233）是一种典型的在陆地无线网络环境下使用的单无线网卡多信道MAC协议，协议将时间轴划分成信标间隔，在每个信标间隔的开始，有一个“ATIM”时间窗口，在该时间窗口的起始时刻，网络中的所有节点都被强制切换到控制信道上，有数据发送需求的的节点使用控制消息和接收端协商信道，“ATIM”窗口结束后，收发节点对在选定的数据信道上通过三次握手RTS/CTS/DATA完成数据传输。可见，MMAC是一种先选择信道后竞争传输的多信道MAC协议。但由于信道选择时通过在公共控制信道上进行控制分组的交互，因此在长传播延时的水声网络环境下，各个节点感知的信道忙闲状态是一个局部量，可能为后续的信道分配提供错误的先验信息。

C-MAC协议（Ma Yu-tao，Guo Zhong-wen，Feng Yuan，etal.C-MAC:A TDMA-based MAC Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks[C].in Proceeding ofIEEE NSWCTC’09.Wuhan，2009，728-731）是以信道分配为设计核心的水声网络多信道MAC协议。C-MAC协议基于TDMA，它根据物理位置将水声网划分为许多六边形蜂窝单元，每个单元内的节点共享一个时隙，协议设计的核心是为每个单元确定一个和邻接单元不相同的时隙，为此，选取一个节点作为参考点，参考点广播包含自己位置的时隙确定帧，其他节点从接收到的时隙确定帧中提取参考点位置，并通过与汇聚节点的相对位置决定自己的时隙，确定时隙后，每个单元的节点就在此确定的时隙中收发数据。若将C-MAC看作一种动态分配协议，则每次数据分组传输前都要经过多轮时隙信息广播，造成信令开销过大，吞吐率低下；若将C-MAC看作一种静态分配协议，则信令的传输可以在协议初始化阶段进行，在数据分组传输后忽略此部分开销，但由于对信道作静态分配，则可能带来静态信道分配所特有的资源利用率低问题。

综上所述，迫切需要设计一种适应于长传播延时水声网络环境的多信道MAC协议，解决信道同步、多信道隐藏终端和信道分配等问题，利用多信道传输提高水声传感器网络的空间复用率，达到提升网络吞吐量的目的。

发明内容

本发明的目的是提供可解决信道同步、多信道隐藏终端和信道分配等问题的一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法。

本发明包括以下步骤：

1）协议将时间轴划分成信标周期，每个信标周期分为传输协商、信道选择和数据传输三个阶段，节点对之间的交互有控制分组和数据分组两种，控制分组在传输协商和信道选择阶段传输，占用全部可用带宽，数据分组在数据传输阶段传输，占用可使用信道资源的其中至少一个；

2）具有发送任务需求的节点在传输协商阶段发送控制分组RTN，在控制分组RTN内装载源节点和目的节点的ID信息，ID是节点的标识，每个节点有一个唯一的ID，所述目的节点采取调度策略响应控制分组ATN，在控制分组ATN内装载源节点和目的节点的ID信息，由此传输节点对关系建立；

3）确立传输关系收发节点对的发送节点在信道选择阶段发送信道选择请求控制分组RCS，在控制分组RCS内装载源节点和目的节点的ID信息和座标信息，收发节点对的接收节点除了接收发送节点的RCS分组以外，还会接收到邻居节点发送的其他RCS分组，此时目的节点进行信道分配，并以控制分组ACS进行响应，确定传输的信道组信息被装载在控制分组ACS中；

4）数据传输阶段，传输节点对在收发双方协商好的信道组上传输数据分组。

在步骤3）中，所述信道分配可通过以下步骤实现：

3.1）在全网内将可用信道资源分为13个相互正交的数据信道，数据分组可在其中的一个或多个信道中传输，同时将信道选择阶段细分为两个子阶段，分别是选择请求子阶段和选择响应子阶段；

3.2)各节点根据与信宿的相对地理位置为自己定义一个座标，座标以自然数对表示，代表直角座标轴的一个点，信宿为座标原点，各节点将此唯一的座标作为信道分配函数的输入变量，从13个可选信道中为自己确立一个唯一的固定信道；

3.3）传输节点对中的发送节点在选择请求子阶段发送信道选择请求控制分组RCS到接收节点，接收节点不仅能够接收发送节点发送的信道选择请求控制分组RCS，而且将接收周围邻居节点发送的信道选择请求控制分组RCS；

3.4）接收节点根据收到的所有信道选择请求控制分组信息，依据信道选择策略选择可使用的信道组，并在选择响应子阶段响应信道选择响应控制分组ACS。

本发明基于多信道的水声传感器网络MAC层协议的信道同步问题使用同步调度机制解决，在同步调度机制中，协议将时间轴划分成信标周期，每个信标周期分为传输协商、信道选择和数据传输三个阶段，控制分组在传输协商和信道选择阶段传输，数据分组在数据传输阶段传输，每个节点发送的控制分组将被其他邻居节点有效侦听。多信道隐藏终端问题通过收集邻居节点的工作状态来解决，由于对数据分组的干扰来自于接收节点的邻居节点，因此以接收节点为视觉，侦听邻居节点中干扰节点的工作状态信息，选择与干扰节点不同的信道进行数据传输。信道分配问题的解决采取两步走的策略，首先依据地理位置为各节点设置一个虚拟直角座标，按照座标为各节点“初始分配”一个固定的信道，其次，传输节点对在交互过程中，动态借用空闲邻居节点已分配的固定信道，谓之“动态调整”，问题的解决考虑了当有多个传输节点对借用相同信道的情况。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种基于多信道的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，在空间上存在干扰的各个传输节点对由于使用不同的信道而能够成功传输数据分组，提高了空间的复用率；以接收节点为视觉的信道选择策略最大化地利用了局部范围内可使用的信道资源，提高了吞吐率；另外，传输竞争先于信道选择的交互机制利于在传播延时较大的水声网络环境中获得准确的先验信息，为后续信道分配时最大化利用信道资源提供帮助。

附图说明

图1是协议的同步工作时序。

图2是传输协商阶段冲突及其解决方案。

图3是基于地理位置的节点座标。

图4是某个节点的邻居节点座标示意图。

图5是接收节点互相能够侦听对方的发送节点时的信道分配。

图6是接收节点互相不能侦听对方的发送节点时的信道分配。

图7是接收节点单方侦听对方的发送节点时的信道分配。

具体实施方式

下面实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

1）如图1所示，横轴代表时间，以符号t表示，纵轴代表频率，以符号f表示。协议将时间轴划分为重复帧，以帧1、帧2，……表示，每一帧代表了一个信标周期，每个信标周期分为传输协商、信道选择和数据传输三个阶段。传输协商阶段由传输请求、传输请求的传播延时、传输响应和传输响应的传播延时组成，传输请求时长以T_RTN表示，传输响应时长以T_ATN表示，传输请求的传播延时和传输响应的传播延时均以τ_max表示。信道选择阶段由选择请求、选择请求的传播延时、选择响应和选择响应的传播延时组成，选择请求时长以T_RCS表示，选择响应时长以T_ACS表示，选择请求的传播延时以以2τ_max表示，选择响应传播延时以τ_max表示。数据传输阶段由数据传输、数据传输的传播延时组成，数据传输时长以T_D表示，数据传输的传播延时以τ_max表示。协议将可用频率资源分成13个信道，如图1所示的信道1、信道2，……，信道13。本发明中以频率资源作为可分配资源，但本发明中所述方法并不限于此，可分配资源还包括了时间、码道等其他资源。

2）具有发送任务的节点在传输请求子阶段内，随机选择一个时刻发送控制分组RTN，在控制分组RTN内装载源节点和目的节点的ID信息。在此阶段可能发生发送/接收冲突和接收/接收冲突，发送/接收冲突指节点成功发送了RTN分组，同时也成功接收了别的节点发送的RTN分组；接收/接收冲突指节点成功接收了别的节点发送的多个RTN分组。如图2左下图所示，A节点先后成功接收了B节点和C节点发送的RTN分组，A节点要选择其中一个节点进行响应，谓之接收/接收冲突；如图2左上图所示，A节点成功接收了C节点发送的RTN分组，A节点也成功发送了RTN分组到B节点，此时A节点要选择是否响应C节点，此时谓之发送/接收冲突。发送/接收冲突的解决方案是优先响应邻居节点的发送请求，如图2右上图所示，节点A选择节点C为发送响应分组ATN的目的节点；接收/接收冲突的解决方案是在多个邻居节点中响应其中一个发送请求，如图2右下图所示，节点A选择节点B为发送响应分组ATN的目的节点，而不理会节点C。

3）根据步骤2）的传输请求响应策略，接收节点在传输响应子阶段内，随机选择一个时刻发送控制分组ATN，在控制分组ATN内装载源节点和目的节点的节点名称（ID）信息。由此传输节点对关系建立。

4）确立传输关系收发节点对的发送节点在信道选择阶段的选择请求子阶段，随机选择一个时刻发送信道选择请求控制分组RCS，在控制分组RCS内装载源节点和目的节点的ID信息和座标信息。收发节点对的接收节点除了接收发送节点的RCS分组以外，还会接收到邻居节点发送的其他RCS分组，此时目的节点根据邻居节点发送RCS分组中装载的信息进行信道分配，并以控制分组ACS在选择响应子阶段进行响应，确定传输的信道组信息被装载在控制分组ACS中。

5）数据传输阶段，传输节点对在收发双方协商好的信道组上传输数据分组。

在步骤4）所述的信道分配的实现通过以下几个步骤：

4.1)以规则网络为例，网络节点均匀、规则地分布在二维平面上，节点表示平面上的一个点，并以直角座标表示，如图3所示，直角座标的横轴为x，x=-2，x=-1，x=-0，x=1，x=2表示了节点在横轴上的相对位置，直角座标的纵轴为y，y=-2，y=-1，y=-0，y=1，y=2表示了节点在纵轴上的相对位置。信宿规定为座标原点。设节点座标为（x，y），将此唯一的座标作为信道分配函数的输入变量，从13个可选信道中为自己确立一个唯一的固定信道，以f(x，y)表示，定义此计算的信道号为iCH，此时的信道分配谓之“初始分配”，信道分配函数如下式所示：

f(x，y)＝2x+7y(模13)

4.2）如图4所示，在确定自身节点座标的同时也确立了邻居节点的座标，表1定义了已知节点ID的8个邻居节点的座标，并由信道分配函数可确定初始分配信道号。此时邻居节点的初始分配信道定义为nbCH＝{nbCH₁，nbCH₂，...，nbCH₈}。

4.3）接收节点在4.2）步骤后建立可用信道向量：L＝{iCH}∪nbCH，步骤4.3）～步骤4.8）谓之信道分配的“动态调整”。

4.4）接收节点在选择请求子阶段后不仅能够接收发送节点发送的选择请求控制分组RCS，还将接收周围邻居节点发送的信道选择请求控制分组RCS，此时接收节点将进一步完善表1中邻居节点的状态。当接收到邻居节点发送的RCS分组，则此节点为发送节点，当接收到RCS分组中接收节点的信息为邻居节点，则此邻居节点为接收节点，除此之外则为空闲节点。

表1邻居节点列表

4.5）接收节点在选择请求子阶段后将接收RCS分组所对应的发送节点定义为干扰节点，由于各RCS分组中包含了发送节点和接收节点ID以及对应的座标信息，根据此信息建立潜在干扰节点列表，如表2所示。由接收节点座标容易求出其邻居节点的座标，并进而求得接收节点和其邻居节点所初始分配的信道，分别以xrCH_i和xrbCH_i表示，其中xrbCH_i为一信道号集合。

表2干扰节点列表

4.6）建立干扰信道矩阵IL：该矩阵为接收节点xrID可能使用的信道，由步骤4.5）计算得到则IL_i＝{xrCH_i}∪xrbCH_i。每个潜在干扰节点对应干扰矩阵的一行。

4.7）由接收到的RCS分组可以继续完善表2的“是否单方侦听”表项，“是否单方侦听”的含义为接收节点xrID是否能侦听本节点所对应发送节点的RCS分组。设本节点所对应发送节点的座标为(x′，y′)，则当|x′-x|+|y′-y|≥3时，“是否单方侦听”表项值为“是”。

4.8）潜在干扰节点中，存在“单方侦听”的干扰节点具有选择信道的最高优选级，其余以ID大小为比较准则，ID较小的节点具有更高的优先级，换言之，本节点得首先考虑其余优先级更高的节点是否使用相同的信道，并且默认这些优先级更高的节点会使用所有可能使用的信道。因此对矩阵IL中优先级更高的各行进行遍历，求得可使用信道为L＝L-(L∩IL_i)。

下面结合图5～7说明信道分配实例，节点A、B为一个传输节点对，A为发送节点，B为接收节点；节点C、D为另一个传输节点对，C为发送节点，D为接收节点。节点上方的数值表明了“初始分配”的信道号。箭头上方数字表明了最后所选择的信道。图中的x和y分别代表了直角座标的横轴和纵轴。

(1)当接收节点互相能够侦听发送节点发送的RCS分组。如图5所示，节点B能成功侦听节点C发送的RCS分组，同样，节点D也能成功侦听节点A发送的RCS分组。

A.由邻居节点列表，节点B获得信道向量：L_B＝{4，6，0，11，9，2，8，10，12}；节点D获得信道向量：L_D＝{0，11，5，7，9，2，8，6，4}。

B.B节点不能使用C和D节点“初始分配”的信道，D节点不能使用A和B节点“初始分配”的信道:

L_B＝L_B-{0，11}＝{4，6，9，2，8，10，12}；L_D＝L_D-{6，4}＝{0，11，5，7，9，2，8}。

C.C节点为B节点的潜在干扰节点，因此建立B节点的潜在干扰信道矩阵，IL_B＝L_D＝{0，11，5，7，9，2，8}；

同理，A节点为D节点的潜在干扰节点，建立B节点的潜在干扰信道矩阵，IL_D＝L_B＝{4，6，9，2，8，10，12}。

D.假设节点D的ID比节点B的ID要更小，则D节点所使用的信道向量不变；B节点使用的信道向量为：L_B＝L_B-L_B∩IL_B＝{4，6，10，12}。

(2)当接收节点互相不能侦听发送节点发送的RCS分组。如图6所示，B不能成功侦听C发送的RCS分组，同样，D也不能成功侦听A发送的RCS分组。

由于不存在潜在干扰节点，只需要根据邻居节点列表获得信道向量，节点B获得的信道向量为：L_B＝{9，8，2，7，0，6，11，4，10}，

节点D获得信道向量：L_D＝{4，11，5，2，9，3，6，0，7}。

(3)当接收节点单方能够侦听发送节点发送的RCS分组。如图7所示，B能成功侦听C发送的RCS分组，但是D不能侦听A发送的RCS分组。

A.由邻居节点列表，节点B获得信道向量：L_B＝{4，6，0，11，9，2，8，10，12}；节点D获得信道向量：L_D＝{2，0，9，5，11，7，1，4，3}。

B.D节点没有收到其他节点发送的RCS分组，因此选择的信道向量不变；B节点收到C节点发送的RCS分组，同时由接收节点D的座标信息可判断D节点不能接收A节点的RCS分组，因此获得节点B的潜在干扰矩阵为：IL_B＝L_D＝{2，0，9，5，11，7，1，4，3}。

C.B节点使用的信道向量为：L_B＝L_B-L_B∩IL_B＝{4，6，8，10，12}。

尽管信道分配示例以均匀规则网络为例，但信道分配方法适用于邻居节点个数小于8个的水声传感器网络拓扑。

Claims (2)

1.一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）协议将时间轴划分成信标周期，每个信标周期分为传输协商、信道选择和数据传输三个阶段，节点对之间的交互有控制分组和数据分组两种，控制分组在传输协商和信道选择阶段传输，占用全部可用带宽，数据分组在数据传输阶段传输，占用可使用信道资源的其中至少一个；

2）具有发送任务需求的节点在传输协商阶段发送控制分组RTN，在控制分组RTN内装载源节点和目的节点的ID信息，ID是节点的标识，每个节点有一个唯一的ID，所述目的节点采取调度策略响应控制分组ATN，在控制分组ATN内装载源节点和目的节点的ID信息，由此传输节点对关系建立；

3）确立传输关系收发节点对的发送节点在信道选择阶段发送信道选择请求控制分组RCS，在控制分组RCS内装载源节点和目的节点的ID信息和座标信息，收发节点对的接收节点除了接收发送节点的RCS分组以外，还会接收到邻居节点发送的其他RCS分组，此时目的节点进行信道分配，并以控制分组ACS进行响应，确定传输的信道组信息被装载在控制分组ACS中；

4）数据传输阶段，传输节点对在收发双方协商好的信道组上传输数据分组。

2.如权利要求1所述一种水声传感器网络多信道媒介访问控制方法，其特征在于在步骤3）中，所述信道分配通过以下步骤实现：

3.1）在全网内将可用信道资源分为13个相互正交的数据信道，数据分组可在其中的一个或多个信道中传输，同时将信道选择阶段细分为两个子阶段，分别是选择请求子阶段和选择响应子阶段；

3.2)各节点根据与信宿的相对地理位置为自己定义一个座标，座标以自然数对表示，代表直角座标轴的一个点，信宿为座标原点，各节点将此唯一的座标作为信道分配函数的输入变量，从13个可选信道中为自己确立一个唯一的固定信道；

3.3）传输节点对中的发送节点在选择请求子阶段发送信道选择请求控制分组RCS到接收节点，接收节点不仅能够接收发送节点发送的信道选择请求控制分组RCS，而且将接收周围邻居节点发送的信道选择请求控制分组RCS；

3.4）接收节点根据收到的所有信道选择请求控制分组信息，依据信道选择策略选择可使用的信道组，并在选择响应子阶段响应信道选择响应控制分组ACS。

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