CN103974343B - 一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法及其系统，该方法应用于一包含n个节点和一网关的链式网络，在该n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，该n个节点中的n‑m个节点采用RTS/CTS协议，以确保网关收到的数据包个数最大化。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，特别适用于水下无线传感器网络媒体介质访问控制领域。
背景技术
近年来，水下无线传感器网络(UWSN)因其在环境监测、气象预报和国防安全等方面的应用受到通信界的广泛关注。但由于UWSN受到延迟、能耗、带宽等方面因素的制约，其媒体访问控制技术(MAC)与陆地传感器网络存在很大差异，在期刊Journal ofElectronics&Information Technology,2008,30(6):1511-1516中，公开了一篇名称为：Study on wireless multimedia sensor networks的文献，作者为：Luo Wu-sheng,ZhaiYong-ping,and Lu Qin.，该文献中公开了一方面，水下声信号大延时特性对MAC协议的设计产生不利影响；另一方面，多数的陆地传感器网络是基于静态网络特性设计的，即使网络中部分节点移动，对网络性能的影响也并不明显。而对于UWSN，因其受到外界自然环境影响，整个网络始终处于运动状态，这是水下网络MAC协议设计的重要挑战。
目前水下无线传感器网络的MAC层协议，可划分为竞争与非竞争类。后者如TDMA,FDMA,CDMA的应用分别受限于同步、带宽、编码等困难，未能成为水下网络MAC协议的主流。前者可分为随机多址类和基于信道预约类协议。在会议Vehicular TechnologyConference(VTC Spring),Yokohama,Japan,2011中，公开了一篇名称为：Enhancedslotted aloha protocols for underwater sensor networks with large propagationdelay[C]的文献，作者为：Chen Kai,He Jianhua,and Guan Haibing；在期刊Communications and Networking in China(CHINACOM),Harbin,China,2011:1038-1043中，公开了一篇名称为：Improving aloha via backoff tuning in underwater sensornetworks[C]的文献，作者为：Peng Zheng,Zuba M,and Cui Jun-hong.，上述文献中公开了随机多址协议结构简单，实现方便，具有较好的时延特性，但这类协议中数据包的冲突概率随业务流量增长呈指数增加，不利于突发数据场景中的使用；基于信道预约机制的MAC协议，这类协议虽然冲突避免机制复杂，网络延迟较大，但在突发数据网场景中有更为突出的吞吐量性能表现。在这些协议中，每个单独的协议都很难满足水下无线传感器网络MAC需求。
在期刊Modern Applied Science,2012,6(3):65-72中，公开了一篇名称为：Comparative performance evaluation of MAC layer protocols for underwaterwireless sensor networks的文献，作者为：Keshtgary Manijeh,Javidan Reza,andMohammadi Reza，该文献中公开了目前针对UWSN的MAC协议的设计思想主要是克服时延对MAC协议的不利影响，这些协议可划分为竞争与非竞争类。后者如TDMA,FDMA,CDMA的应用分别受限于同步、带宽、编码等困难，未能成为水下网络MAC协议的主流。前者可分为随机多址类和基于信道预约类协议。随机多址协议结构简单，实现方便，具有较好的时延特性，但这类协议中数据包的冲突概率随业务流量增长呈指数增加，不利于突发数据场景中的使用；基于信道预约机制的MAC协议，这类协议虽然冲突避免机制复杂，网络延迟较大，但在突发数据网场景中有更为突出的吞吐量性能表现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法及其系统，以克服现有技术中数据包冲突概率高、机制复杂和网络延迟大的问题。
一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，所述方法应用于一包含n个节点和一网关的链式网络，其特征在于，在所述n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，所述n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保所述网关收到的数据包个数最大化，其中，所述n和m为大于0的整数，且m小于n。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述采用ALOHA协议的m个节点为远离所述网关的节点，所述采用RTS/CTS协议的n-m个节点为接近所述网关的节点。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述方法包括：
预设参数步骤：预设所述节点参数；
m个节点个数计算步骤：根据预设的所述节点参数，计算采用所述ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算步骤：根据所述节点个数m得出所述链式网络的最大通信速率，自适应选取所述m个节点采用ALOHA协议，所述n-m个节点采用RTS/CTS协议。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述预设参数步骤还包括：
发包速率设置步骤：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ；
节点数目统计步骤：统计整个链式网络的所述节点n个数，并为所述节点设置间隔距离为L；
发射功率设置步骤：设置每个节点的CTS干扰范围为R。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述m个节点个数计算步骤还包括：
发送数据包时间计算步骤：根据所述L和所述R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算步骤：根据所述λ和所述n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算步骤：根据所述Ph(h＝1…m)，得到所述m的表达式ωn，根据所述ωn计算获得所述ωn最大值时对应的所述m个节点个数。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述最大通信速率计算步骤还包括：
比较和计算步骤：比较所述Tθ和所述ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整步骤：根据所述λn自适应布置网络，令所述m个节点采用所述ALOHA协议，所述n-m个节点采用所述RTS/CTS协议。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述λn的计算公式为：
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述ωn的计算公式为：
本发明还提供一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，采用如所述的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述系统应用于一链式网络，所述链式网络包含：n个节点和一网关，在所述n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，所述n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保所述网关收到的数据包个数最大化，其中，所述n和m为大于0的整数，且m小于n。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述采用ALOHA协议的m个节点为远离所述网关的节点，所述采用RTS/CTS协议的n-m个节点为接近所述网关的节点。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述系统包括：
预设参数模块：预设所述节点参数；
m个节点个数计算模块：根据预设的所述节点参数，计算采用所述ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算模块：根据所述节点个数m得出所述链式网络的最大通信速率，自适应选取节点采用所述ALOHA协议和RTS/CTS协议。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述预设参数模块还包括：
发包速率设置模块：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ；
节点数目统计模块：统计整个链式网络的所述节点n个数，并为所述节点设置间隔距离为L；
发射功率设置模块：设置每个节点的CTS干扰范围为R。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述m个节点个数计算模块还包括：
发送数据包时间计算模块：根据所述L和所述R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算模块：根据所述λ和n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算模块：根据所述Ph(h＝1…m)，得到所述m的表达式ωn，根据所述ωn计算获得所述ωn最大值时对应的所述m个节点个数。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述最大通信速率计算模块还包括：
比较和计算模块：比较所述Tθ和所述ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整模块：根据所述λn自适应布置网络，令所述m个节点采用所述ALOHA协议，所述n-m个节点采用所述RTS/CTS协议。
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述λn的计算公式为：
上述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述ωn的计算公式为：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)有效增大网络的有效带宽；
2)有效的节省网络资源；
3)有效的解决突发数据造成的数据包冲突问题；
4)计算简单，适用性强。
附图说明
图1为UWSN中一种典型的多跳拓扑网络；
图2为链式网络数据发送示意图；
图3为本发明方法流程示意图；
图4为本发明方法实施例步骤示意图；
图5为本发明系统结构示意图。
其中，附图标记：
1预设参数模块 2m个节点个数计算模块
3最大通信速率计算模块
11发包速率设置模块 12节点数目统计模块
13发射功率设置模块
21发射数据包时间计算模块 22数据包成功接收概率计算模块
23m个数计算模块
31比较和计算模块 32自适应调整模块
S1～S3、S11～S13、S21～S23、S31～S32、S101～S109：本发明各实施例的施行步骤
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施方式，结合图示对本发明做出了详细描述。
本发明采用链式拓扑网络如图1所示，图1为UWSN中一种典型的多跳拓扑网络。UWSN数据一般都是从单个节点汇聚到网关(GW GateWay)节点，网关节点把这些数据融合后发给路上的接收设备。在此网络环境下，水下的节点不但要发送自己产生的数据给网关，还要转发从上游节点方过来的数据。
在链式网络拓扑下，刚开始的几个节点发送数据量小，发生冲突的概率低，使用aloha协议代价小，越靠近网关的节点，其承担的数据发送量越大，发生冲突的概率变大，使用RTS/CTS机制代价小。本发明提出适用于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法可以有效的利用ALOHA协议和RTS/CTS协议的优点，提高整个水下网络的带宽。
我们将自适应媒体访问控制方法引入水下无线传感器网络，在链式网络模型下，结合ALOHA和RTS/CTS的优点，目标是最大化GW能收到数据包的个数，提高整个网络的有效带宽，有效的节省了网络资源并解决突发数据造成数据包冲突的问题，此方法简单，适用性强，在网络布置前，就可以得到网络最大通信速率和达到这一速率方法，给出了UWSN环境下网络布置的理论指导。
一、Aloha：
在链式拓扑网络中，每个节点产生发送包的速率λ符合泊松分布，也就是说，每个节点平均一秒钟产生λ个数据包。每个节点立即把从上游邻居节点收到的数据包转发给下游邻居节点。同时假设，每个节点的传输范围是1跳，即每个节点只能与直接的邻居节点通信；每个节点的干扰范围小于两跳。在本发明中，我们任务数据包一旦发生冲突，就会丢失。我们进一步设定一个固定的数据包大小Sp和统一的传输速率bw，在这种设定下，发送一个数据包的时间是一个常数
节点Oj发送数据包符合泊松分布，ALOHA协议中，包冲突周期是2T,因此Oj在包冲突周期内不发送数据包的概率如公式1所示，其中λj为发送概率。
假设所有节点产生发送数据的速率一样都为λ，则如公式2所示：
λ1＝λ,λ2＝λ(1+P1),λ3＝λ(1+P1P2+P2)
图2为链式网络数据发送示意图，如图2所示，在链式网络中，整个网络有效吞吐量等于GW收到的数据。Oi+1能否收到Oi发送的数据包，取决于Oi+1和Oi+2是否在发送数据，并且每个节点发送数据的概率是相互独立的。如图2所示，由此把{Oi，Oi+1，Oi+2}成为一个竞争对，把Oi发送的数据包被Oi+1成功收到的概率定义为Pi，n为整个网络的节点数目(不包含GW)，如公式3所示：
二、RTS/CTS协议:
我们把链式网络的发送节点和接收节点的距离设为L，CTS的干扰范围设为R，声音在水中传播的速度定义为v，RTS/CTS的数据包长度很小，可忽略不计，则发送一个数据包所需要的时间Tθ如公式4所示。
由于RTS/CTS机制可以有效的避免冲突，当数据速率大于节点带宽时，网络的有效传输速率就被限制在节点最大带宽上，所以，在RTS/CTS机制下，节点发送的数据包的数目λi如公式5所示。
本发明提供一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，该方法应用于一包含n个节点和一网关的链式网络，在n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保网关收到的数据包个数最大化，其中，n和m为大于0的整数，且m小于n。
其中，采用ALOHA协议的m个节点为远离网关的节点，采用RTS/CTS协议的n-m个节点为接近网关的节点。
图3为本发明方法流程示意图，如图3所示，上述自适应媒体访问控制方法，包括：
预设参数步骤S1：预设节点参数；
m个节点个数计算步骤S2：根据预设的节点参数，计算采用ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算步骤S3：根据节点个数m得出链式网络的最大通信速率，自适应选取m个节点采用ALOHA协议，n-m个节点采用RTS/CTS协议。
其中，预设参数步骤S1还包括：
发包速率设置步骤S11：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ；
节点数目统计步骤S12：统计整个链式网络的节点n个数，并为节点设置间隔距离为L；
发射功率设置步骤S13：设置每个节点的CTS干扰范围为R。
其中，m个节点个数计算步骤S2还包括：
发送数据包时间计算步骤S21：根据L和R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算步骤S22：根据λ和n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算步骤S23：根据Ph(h＝1…m)，得到m的表达式ωn，根据ωn计算获得ωn最大值时对应的m个节点个数。
其中，最大通信速率计算步骤S3还包括：
比较和计算步骤S31：比较Tθ和ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整步骤S32：根据λn自适应布置网络，令m个节点采用ALOHA协议，n-m个节点采用RTS/CTS协议。
其中，λn的计算公式为：
其中，ωn的计算公式为：
以下结合具体实施例和图示说明本发明自适应媒体访问控制方法的详细过程。
ALHOA结构简单，实现方便，具有较好的时延特性，但这类协议中数据包的冲突概率随业务流量增长呈指数增加，一旦数据发送冲突会明显降低整个网络带宽；而RTS/CTS机制可以有效避免数据包冲突，但是由于此机制引入RTS/CTS数据包会带来明显的延迟，当网络数据量很小时，使用RTS/CTS会付出很大代价。
假设链式网络中有n个节点，GW能收到的数据包的数目，为节点n所需要发送数据包的个数λn，假设每个节点产生数据包的速率都为λ。本发明提出一种适用于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，此方法网络模型为链式网络，结合ALOHA和RTS/CTS的优点，目标是最大化GW能收到数据包的个数λn，令前m个节点使用ALOHA协议，后(n-m)个节点使用RTS/CTS机制，其中m的值由λ和n决定，节点n所需要发送数据包的个数λn如公式6、公式7所示，其中Pi参照公式3，Tθ参照公式4。
(6)
(7)
图4为本发明方法实施例步骤示意图，如图4所示为自适应媒体访问控制方法的主流程，该方法包含以下主要步骤：
步骤S101：首先在如图1所示的链式网络中，为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ，即每个节点每秒产生λ个数据包。
步骤S102：统计整个链式网络的节点总数目n，为所有节点设置地理位置，使得节点的距离为L。
步骤S103：设置每个节点的发射功率，使其只能与邻居通信，其干扰范围不超过2跳范围，即R的大小。
步骤S104：根据步骤102给出的L和步骤103给出的R的大小，求出Tθ的值。
步骤S105：根据步骤101给出的λ、步骤102给出的n，计算出Ph(h＝1…m)。
步骤S106：根据步骤105求出的Ph(h＝1…m)，得到关于变量m的表达式ωn。
步骤S107：让m＝1，…m＝n，代入表达式ωn，求出ωn的最大值和此m的值。
步骤S108：比较ωn和Tθ，求出λn，整个网络能达到的最大通信速率就是λn，此值与网络规模n、节点间的距离L、节点的干扰范围R，节点产生包的频率λ相关，用户可以根据自适应媒体访问控制方法根据实际网络情况，求出使得网络通信速率最大时的m值，自适应的布置网络。
步骤S109：让前m个节点MAC层运行ALOHA协议，后(n-m)个节点运行RTS/CTS协议。
本发明还提供一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，采用如上述的自适应媒体访问控制方法，该系统应用于一链式网络，链式网络包含：n个节点和一网关，在n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保网关收到的数据包个数最大化，其中，n和m为大于0的整数，且m小于n。
图5为本发明系统结构示意图，如图5所示，该系统包括：
预设参数模块1：预设节点参数；
m个节点个数计算模块2：根据预设的节点参数，计算采用ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算模块3：根据节点个数m得出链式网络的最大通信速率，自适应选取节点采用ALOHA协议和RTS/CTS协议。
其中，预设参数模块1还包括：
发包速率设置模块11：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ；
节点数目统计模块12：统计整个链式网络的节点n个数，并为节点设置间隔距离为L；
发射功率设置模块13：设置每个节点的CTS干扰范围为R。
其中，m个节点个数计算模块2还包括：
发送数据包时间计算模块21：根据L和R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算模块22：根据λ和n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算模块23：根据Ph(h＝1…m)，得到m的表达式ωn，根据ωn计算获得ωn最大值时对应的m个节点个数。
其中，最大通信速率计算模块3还包括：
比较和计算模块31：比较Tθ和ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整模块32：根据λn自适应布置网络，令m个节点采用ALOHA协议，n-m个节点采用RTS/CTS协议。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，所述方法应用于一包含n个节点和一网关的链式网络，其特征在于，在所述n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，所述n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保所述网关收到的数据包个数最大化，其中，所述n和m为大于0的整数，且m小于n，所述采用ALOHA协议的m个节点为远离所述网关的节点，所述采用RTS/CTS协议的n-m个节点为接近所述网关的节点；
所述方法包括：
预设参数步骤：预设所述节点参数，包括统计整个链式网络的所述节点n个数，并为所述节点设置间隔距离为L，并设置每个节点的CTS干扰范围为R；
m个节点个数计算步骤：根据预设的所述节点参数，计算采用所述ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算步骤：根据所述节点个数m得出所述链式网络的最大通信速率，自适应选取所述m个节点采用ALOHA协议，所述n-m个节点采用RTS/CTS协议；
其中所述m个节点个数计算步骤还包括：
发送数据包时间计算步骤：根据所述L和所述R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算步骤：根据所述λ和所述n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算步骤：根据所述Ph(h＝1…m)，得到所述m的表达式ωn，根据所述ωn计算获得所述ωn最大值时对应的所述m个节点个数。
2.根据权利要求1所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述预设参数步骤还包括：
发包速率设置步骤：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ。
3.根据权利要求1所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述最大通信速率计算步骤还包括：
比较和计算步骤：比较所述Tθ和所述ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整步骤：根据所述λn自适应布置网络，令所述m个节点采用所述ALOHA协议，所述n-m个节点采用所述RTS/CTS协议。
4.根据权利要求3所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述λn的计算公式为：
5.根据权利要求1所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法，其特征在于，所述ωn的计算公式为：
6.一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述系统应用于一链式网络，所述链式网络包含：n个节点和一网关，在所述n个节点中的m个节点采用ALOHA协议，所述n个节点中的n-m个节点采用RTS/CTS协议，以确保所述网关收到的数据包个数最大化，其中，所述n和m为大于0的整数，且m小于n，所述采用ALOHA协议的m个节点为远离所述网关的节点，所述采用RTS/CTS协议的n-m个节点为接近所述网关的节点；
所述系统包括：
预设参数模块：预设所述节点参数，包括统计整个链式网络的所述节点n个数，并为所述节点设置间隔距离为L，并设置每个节点的CTS干扰范围为R；
m个节点个数计算模块：根据预设的所述节点参数，计算采用所述ALOHA协议的节点个数m；
最大通信速率计算模块：根据所述节点个数m得出所述链式网络的最大通信速率，自适应选取节点采用所述ALOHA协议和RTS/CTS协议；
其中所述m个节点个数计算模块还包括：
发送数据包时间计算模块：根据所述L和所述R计算获得发送数据包时间Tθ；
数据包成功接收概率计算模块：根据所述λ和n，计算得到数据包成功接收概率Ph(h＝1…m)；
m个数计算模块：根据所述Ph(h＝1…m)，得到所述m的表达式ωn，根据所述ωn计算获得所述ωn最大值时对应的所述m个节点个数。
7.根据权利要求6所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述预设参数模块还包括：
发包速率设置模块：为网络中的每个节点设定数据包产生速率λ。
8.根据权利要求6所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述最大通信速率计算模块还包括：
比较和计算模块：比较所述Tθ和所述ωn，得出最大化通信速率λn；
自适应调整模块：根据所述λn自适应布置网络，令所述m个节点采用所述ALOHA协议，所述n-m个节点采用所述RTS/CTS协议。
9.根据权利要求8所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述λn的计算公式为：
10.根据权利要求6所述基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制系统，其特征在于，所述ωn的计算公式为：
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| CN201410164030.6A Active CN103974343B (zh) | 2014-04-23 | 2014-04-23 | 一种基于水下无线传感器网络的自适应媒体访问控制方法及其系统 |
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Families Citing this family (1)
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Citations (3)
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| CN101013926A (zh) * | 2007-02-05 | 2007-08-08 | 华中科技大学 | 一种无线传感器网络通信方法和系统 |
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2014
- 2014-04-23 CN CN201410164030.6A patent/CN103974343B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 无线传感器网络流量自适应混合MAC协议;郭彬等;《计算机工程》;20080930;第34卷(第17期);标题3 * |
Also Published As
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