CN104066116B - 水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法及系统 - Google Patents

Abstract

水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法及系统，该系统包括：请求发送信息包模块，用于发送节点发送数据前向接收节点发送请求发送信息包；时隙数目计算模块，接收节点根据可定向原则以及请求发送信息包中的信息，用于为该发送节点分配名次，然后把请求发送信息包中的内容存入名次表中，根据请求发送信息包的内容，计算分配给发送节点的时隙数目；数据包发送模块，该发送节点根据计算出的该时隙数目向该接收节点发送数据包；校验模块，用于该接收节点接收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点发送校验确认信息包，同时用于结束本次通信。

Description

水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器通信技术领域，特别涉及水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法及系统。

背景技术

随着无线通信和传感技术的飞速发展，无线传感器网络已经被广泛的应用在众多基于陆地的场景中。无线传感器节点通常很小，很廉价并且低功耗，易于部署。鉴于无线传感器网络的诸多优点，很多研究者在近些年尝试着将地面传感器网络移植到水下，来探索海洋世界。

2007年Ian F.Akyildiz,Dario Pompili等在SIGMOBILE Mob.Comput.Commun会议公布了文章名为State of the art in protocol research for underwater acousticsensor networks，文章指出水下传感器网络指将能耗低、具有较短通讯距离的水下传感器节点部署到指定海域中，利用节点的自组织能力自动建立起的网络。2014年作者SalvadorCliment公布了文章名Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks:Advances andFuture Trends in Physical,MAC and Routing Layers，发表在杂志名Sensors，14期,795-833页，文章指出水下传感器网络为海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海洋工程、海上生产作业和海洋军事等活动提供健壮的水下信息平台。将传感器网络部署到水下的主要动机是要获取高精度的水下信息，那么如何将水下信息以最高效的路径传到水面上，也就是路由算法，为了保证路由算法的顺利运行，需要针对媒体介质访问控制协议的支持，媒体介质访问控制协议即MAC协议。

地面传感器网络采用无线射频进行通信，并且节点基本都是静止的。和地面传感器不同，水下传感器网络每个节点都装备了声呐通信装置和多种传感器，例如压力传感器等。将这些节点随机的部署到指定海域中，他们彼此之间通过声呐通信，同时随着水流以3到6公里每小时的速度移动。水面可以部署一个或多个汇聚节点，他们可以通过水声和水下的节点通信，也可以通过无线射频与其他水面的汇聚节点，或者其它岸边的通信基础设施通信。与地面传感器网络相比，目前无线传感器网络面临以下四种挑战：1、水声通信带宽受限:传输极限是40km·kbps(深海垂直传输)；2、传输时延较大:水下声速1500m/s延时在ms甚至s级；3、2013年在Proceedings of the Eighth ACM International Conference onUnderwater Networks and Systems会议上Pu L,Luo Y,Peng Z等提出Trafficestimation based receiver initiated MAC for underwater acoustic networks报告，该报告指出节点移动性：水下悬浮节点会随水流，以3-6km/h的速度移动；4、水下三维空间：节点稀疏，仿真环境复杂。

如图1所示，2007年在SIGMOBILE Mob.Comput.Commun作者Ian F.Akyildiz,DarioPompili等公布了文章名为State of the art in protocol research for underwateracoustic sensor networks，该文章指出水下无线传感器网络的节点一般分为四类：水底固定通信节点、水下悬浮通信节点、水下AUV、水面漂浮通信节点，其中水面漂浮节点可采用双模通信(水声通信和射频通信)，其它水下节点都采用水声通信。

2008年作者H.Yan,Z.J.Shi等发表文章名“基于深度的水下传感器网络的路由算法”(Dbr:depth-based routing for underwater sensor networks)，发表在期刊名Springe，页码72-86，该文指出在水下无线传感器网络中，很多节点都自带水压传感器，深度信息可通过水压传感器精确获得，基于这一点，很多基于深度的路由协议出现。在这些协议里面，数据包向上传递，每个节点只转发比其自身更深节点的数据包。如图2所示，在水下无线传感器网络，目的一般是水底层的节点把数据包发送给浮标节点，这也造成数据流的流向是从底层节点往浮标节点汇聚。也就是说，从垂直的方向来看，数据包一般是从深度深的节点往深度浅的节点发送，有一个向上的趋势，从水平的方向上来看，数据一般会向浮标节点汇聚，有一个往浮标节点偏的趋势。

在水下传感器网络中，很多基于深度的路由算法为了提高系统性能，会造成网络中负载不均衡，这样就造成了网络中出现很多关键节点，这些节点承载着网络中大部分的网络负载。2008年作者H.Yan,Z.J.Shi等发表文章“基于深度的路由算法水下的传感器网络”(Dbr:depth-based routing for underwater sensor networks)该文刊登在期刊名Springe，页码72-86，该文指出路由算法把节点所处的深度作为一个重要参数，在一跳范围内节点深度小的比节点深度大的节点需要转发更多的数据包，也就是说节点深度小的节点是这一跳范围的关键节点。但是现在通用的MAC层协议追求节点间的公平性特点，无法保证关键节点比其他节点的优势。一旦无法满足关键节点的带宽需求，就会造成整个网络的拥塞，进而造成整个网络不稳定。

本专利针对于基于深度的路由协议会造成网络负载不均衡的这种情况，提出了一种基于深度的定向MAC协议(简称DD-MAC)，有效的避免网络拥塞情况的出现，保证了整个网络的稳定，降低了网络中的传输延迟，增强了网络的可扩展性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法及系统，为解决基于深度的路由协议会造成网络负载不均衡问题，提出了一种基于深度的定向MAC协议，有效的避免网络拥塞情况的出现，保证了整个网络的稳定，降低了网络中的传输延迟，增强了网络的可扩展性。

一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，运行时间算法，使整个传感器网络所有节点时间同步；

步骤2，当其中某节点处于空闲状态时，该节点侦听周围邻近节点的通信过程，建立周围邻近节点的名次表；

步骤3，建立某发送节点与某接收节点的直接通信，该发送节点发送数据之前向该接收节点发送请求发送信息包；

步骤4，该接收节点收到该请求发送信息包后，根据可定向原则，按照该信息包中的信息为该发送节点分配名次，然后该接收节点更新该名次表,根据请求发送信息包的内容，利用时隙数目计算公式计算分配给发送节点的时隙数目，向该发送节点发送清除信道控制包；

步骤5，该发送节点接收该清除信道控制包，并根据分配的该时隙数目向该接收节点发送数据包；

步骤6，该接收节点收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点发送确认信息包，同时结束本次通信。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，该时隙数目f(d,θ)计算公式为：

其中，d为水下传感器节点与目的节点的深度差，θ为该发送节点相对于该目的节点的角度，δ-传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点在该接收节点名次表中的名次，T为该发送节点需要的时隙数目；

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，包括：

该请求发送信息包包含该发送节点的媒体介质访问控制协议地址，该接收节点与该目的节点的高度差，该发送节点与该目的节点的夹角，该发送节点需要的时隙数目。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，将该深度为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，该节点相对于该目的节点的角度为第二排名决定因素，该角度越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小在该名次表中的名次越高。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，该步骤4还包括：

步骤41，将该请求发送信息包中的该发送节点的媒体介质访问控制协议地址、该接收节点与该目的节点的高度差、该发送节点与该目的节点的夹角存在名次表中。

本发明还涉及一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于：

时间同步模块，运行时间同步算法，使整个传感器网络中的节点时间保持同步；

名次表建立模块，处于空闲状态的节点监听其他邻近节点通信，并建立周围邻近节点的名次表；

请求发送信息包发送模块，用于发送节点发送数据前向接收节点发送请求发送信息包；

时隙数目计算模块，该接收节点用于根据可定向原则以及该请求发送信息包中的信息，为该发送节点分配名次，然后该接收节点更新该名次表，根据请求发送信息包的内容，利用时隙数目计算公式计算分配给发送节点的时隙数目，向该发送节点发送清除信道控制包；

数据包发送模块，该发送节点接收该清除信道控制包，该发送节点根据分配的该时隙数目向该接收节点发送数据包；

校验模块，用于该接收节点接收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点发送校验确认信息包，同时用于结束本次通信。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该时隙数目f(d,θ)计算公式为：

其中，d为水下传感器节点与目的节点的深度差，θ为该发送节点相对于该目的节点的角度，δ-传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点在该接收节点名次表中的名次，T为该发送节点需要的时隙数目；

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该请求发送信息包用于存储该发送节点的媒体介质访问控制协议地址，该水下传感器节点与该目的节点的高度差，该发送节点与该目的节点的夹角，该发送节点需要的时隙数目。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，用于将该深度为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，用于将该节点相对于该目的节点的角度为第二排名决定因素，该角度越小表示该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，用于将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小表示该名次表中的名次越高。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该时隙数目计算模块还包括：

名次表更新模块，用于将该接收节点请求发送信息包中的媒体介质访问控制协议地址、该接收节点与该目的节点的高度差、该发送节点与该目的节点的夹角存在名次表中。

本发明的有益效果为：

充分保证了优势节点的发送需求，减少整个网络拥塞，提高了网络稳定性。

可以有效的缩短路由层随机等待的时间，有效降低整个网络延迟。

名次表随着拓扑的变化做相应的变化，保证优势节点的发送需求，整个网络具备很强的自适应性和可扩展性。

附图说明

图1为水下传感器网络节点部署图

图2为水下无线传感器网络数据流向图

图3为定向媒体介质访问控制协议方向角定义图

图4为定向媒体介质访问控制协议通信数据包示意图

图5为定向媒体介质访问控制协议通信流程图

其中附图标记：

sink 目的节点

s1，s2 发送节点

R 接收节点

θ1，θ2 发送节点相对于目的节点的角度

RTS 请求发送信息包

ACK 确认信息包

CTS 清除信道控制包

DATA 数据包

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本专利假设整个网络是时间同步的，假设网络中所有节点时间同并且目的节点sink有足够的能耗，可以周期性的广播自身位置。如图3所示，红色节点为目的节点sink，水下传感节点与sink节点的高度差Δd，可以计算出该水下传感节点与sink的方向角度θ。

如图4和图5所示，本发明为水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，包括以下步骤：

步骤1，运行时间算法，使整个传感器网络所有节点时间同步；

步骤2，当节点处于空闲状态时，该些节点侦听周围邻近节点的通信过程，并根据侦听到的信息包的内容和可定向规则，建立周围邻近节点的名次表；

步骤3，发送节点s1发送数据之前向接收节点R发送RTS(Request To Send)请求发送信息包；

步骤4，该接收节点R收到该RTS(Request To Send)，根据可定向原则，按照该请求发送信息包中的信息为该发送节点s1分配名次，然后该接收节点R更新该名次表,根据请求发送信息包RTS的内容，结合时隙数目计算公式计算分配给发送节点s1的时隙数目，向该发送节点s1发送清除信道控制包(CTS)，该时隙数目f(d,θ)计算公式为：

其中，d为发送节点与目的节点的深度差，θ为该发送节点相对于该目的节点的角度，δ为传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点在该接收节点名次表中的名次，T为该发送节点需要的时隙数目。

步骤5，该发送节点s1接收到清除信道控制包CTS后，并根据分配的该时隙数目向该接收节点R发送数据包DATA；

步骤6，该接收节点R收到该数据包DATA后进行校验，然后向该发送节点s1发送ACK(Acknowledgement)确认信息包，同时结束本次通信。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，该请求发送信息包包含该发送节点s1的MAC地址，该发送节点s1与该目的节点sink的高度差，该发送节点s1与该目的节点sink的夹角，该发送节点s1需要的时隙数目。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，将该深度为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，该节点相对于该目的节点的角度为第二排名决定因素，该角度越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小在该名次表中的名次越高。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，该步骤4还包括：

步骤41，将该接收节点R请求发送信息包中的MAC地址、该接收节点R与该目的节点sink的高度差、该发送节点s1与该目的节点sink的夹角存在名次表中。

本发明还涉及一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，该系统包括：

时间同步模块，运行时间同步算法，使整个传感器网络中的节点保持同步；

名次表建立模块，处于空闲状态的节点监听其他邻近节点通信，并建立周围邻近节点的名次表；

请求发送信息包模块，用于发送节点s1发送数据前向接收节点R发送RTS(RequestTo Send)请求发送信息包；

时隙数目计算模块，该接收节点R用于根据可定向原则以及该请求发送信息包RTS中的信息，为该发送节点s1分配名次，然后该R接收节点更新该名次表，根据请求发送信息包RTS的内容，结合时隙数目计算公式计算分配给发送节点s1的时隙数目f(d,θ)，向该发送节点s1发送清除信道控制包CTS，该时隙数目f(d,θ)计算方法为：

其中，d为水下传感器节点与目的节点sink的深度差，θ为该发送节点s1相对于该目的节点sink的角度，δ为传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点s1在该接收节点R名次表中的名次，T为该发送节点s1需要的时隙数目。

数据包发送模块，该发送节点s1接收该清除信道控制包CTS，该发送节点s1根据计算出的该时隙数目向该接收节点R发送数据包；

校验模块，用于该接收节点R接收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点s1发送校验确认信息包ACK，同时用于结束本次通信。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，该请求发送信息包RTS用于存储该发送节点s1的媒体介质访问控制协议地址，该水下传感器发送节点s1与该目的节点sink的高度差，该发送节点s1与该目的节点sink的夹角，该发送节点s1需要的时隙数目。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，用于将该深度作为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，用于将该节点相对于该目的节点的角度作为第二排名决定因素，该角度越小表示该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，用于将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小表示该名次表中的名次越高。

所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，该时隙数目计算模块还包括：

名次表更新模块，用于将该接收节点R请求发送信息包RTS中的MAC地址、该接收节点s1与该目的节点sink的高度差、该发送节点s1与该目的节点sink的夹角存在该名次表中。

本发明解决了针对于基于深度的路由协议会造成网络负载不均衡的问题，提出了一种基于深度的定向MAC协议(简称DD-MAC)，有效的避免网络拥塞情况的出现，保证了整个网络的稳定，降低了网络中的传输延迟，增强了网络的可扩展性。

虽然本发明列举了以上实施例，但这并不用来限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围内，还可以作些许的更动与润饰，所以本发明的保护范围由权利要求书的范围来确定。

Claims (4)

1.一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，运行时间算法，使整个传感器网络所有节点时间同步；

步骤2，当其中某节点处于空闲状态时，该节点侦听周围邻近节点的通信过程，建立周围邻近节点的名次表；

步骤3，建立某发送节点与某接收节点的直接通信，该发送节点发送数据之前向该接收节点发送请求发送信息包；

步骤4，该接收节点收到该请求发送信息包后，根据可定向原则，按照该信息包中的信息为该发送节点分配名次，然后该接收节点更新该名次表,根据请求发送信息包的内容，结合时隙数目计算公式计算分配给发送节点的时隙数目，向该发送节点发送清除信道控制包，其中该时隙数目f(d,θ)计算公式为：

$f(d,\mathrm{\θ})=\frac{2\mathrm{\τ}T}{\mathrm{\δ}(R-d)\mathrm{\θ}m}$

其中，d为水下传感器节点与目的节点的深度差，θ为该发送节点相对于目的节点的角度，δ为传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点在该接收节点名次表中的名次，T为该发送节点需要的时隙数目；

该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，将该深度作为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，该节点相对于目的节点的角度为第二排名决定因素，该角度越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小在该名次表中的名次越高；

步骤5，该发送节点接收该清除信道控制包，并根据分配的该时隙数目向该接收节点发送数据包；

步骤6，该接收节点收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点发送确认信息包，同时结束本次通信。

2.如权利要求1所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议方法，其特征在于，该步骤4还包括：

步骤41，接收节点将该请求发送信息包中的媒体介质访问控制协议地址、该接收节点与目的节点的高度差、该发送节点与目的节点的夹角存在名次表中。

3.一种水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该系统包括：

时间同步模块，运行时间同步算法，使整个传感器网络中的节点保持同步；

名次表建立模块，处于空闲状态的节点监听其他邻近节点通信，并建立周围邻近节点的名次表；

请求发送信息包模块，建立某发送节点与某接收节点的直接通信，用于该发送节点发送数据前向该接收节点发送请求发送信息包；

时隙数目计算模块，该接收节点用于根据可定向原则以及该请求发送信息包中的信息，为该发送节点分配名次，然后该接收节点更新该名次表，根据请求发送信息包的内容，结合隙数数目计算公式计算分配给发送节点的时隙数目，向该发送节点发送清除信道控制包，其中该时隙数目f(d,θ)计算公式为：

$f(d,\mathrm{\θ})=\frac{2\mathrm{\τ}T}{\mathrm{\δ}(R-d)\mathrm{\θ}m}$

其中，d为水下传感器节点与目的节点的深度差，θ为该发送节点相对于目的节点的角度，δ为传输延迟，τ为设定参数，R为最大传播距离，m为该发送节点在该接收节点名次表中的名次，T为该发送节点需要的时隙数目；

该可定向原则包括：

当相邻两节点深度不同时，将该深度作为第一排名决定因素，该深度值越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度相等，该节点相对于目的节点的角度为第二排名决定因素，该角度越小在该名次表中名次越高；

当相邻两节点深度值和相对于目的节点的角度都相等，将该发送节点需要的时隙数目作为第三排名决定因素，时隙数目越小在该名次表中的名次越高；

数据包发送模块，该发送节点接收该清除信道控制包，并根据计算出的该时隙数目向该接收节点发送数据包；

校验模块，用于该接收节点接收到该数据包后进行校验，然后向该发送节点发送校验确认信息包，同时用于结束本次通信。

4.如权利要求3所述水下传感器网络的媒体介质访问控制协议系统，其特征在于，该时隙数目计算模块还包括：

名次表更新模块，用于将该接收节点请求发送信息包中的MAC地址、该接收节点与目的节点的高度差、该发送节点与目的节点的夹角存在名次表中。