CN104539398A - 一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络mac协议通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。包括以下步骤：初始化MAC协议，确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间；使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点；网络编码层内的节点唤醒后，如果为普通节点则直接将接收到的数据包发送出去；如果为编码节点，进行编码后发送出去。本发明具有能够提高网络吞吐量和数据传输率的优点。

Description

一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络通信领域，尤其涉及一种能够提高网络吞吐量的，异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。
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，水下无线传感器网络(UnderwaterWireless Sensor Networks,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。介质访问控制(MediaAccess Control,MAC)协议是UWSNs研究的一个重要方面，决定水下信道的使用方式，直接影响网络能量的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能，是保证UWSNs高效通信关键基础内容之一。然而，与传统陆地无线传感器网络使用无线电信号通信不同，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、误码率高等特点，这些特点决定了在设计UWSNs的MAC协议时面临着巨大的挑战。
Md.Obaidur Rahman等人针对水下节点因空闲监听导致能量消耗问题提出了UWAN-MAC协议，该协议通过在数据传输阶段中加入睡眠模式来克服节点因空闲监听而导致的能量消耗。节点在每个周期的起始时刻广播SYNC分组，指明其休眠周期，接收到此分组的邻居节点从下一个预定时段开始侦听此节点。因此，每个节点除工作在自身预定时段传输数据外，还必须工作在每个邻居节点的数据传输时段。UWAN-MAC协议利用SYNC分组交换相对时间信息，各节点无须预知传输时延。只要传输时间为常数，只利用休眠持续期的信息就可以保证每个节点同步。但由于使用休眠唤醒机制，导致信道的时延变长，同时维护休眠时刻表和调度机制会产生开销，进而降低协议吞吐量。
针对UWSNs的数据传输率低的问题，Shaobin Cai等人提出了一种基于网络编码的MPNC-MAC协议，该协议首先建立三条不相交的路径，对于两组数据A和B从两条路径中传输出去；中间路径传输的数据C(C＝A⊕B)则是通过网络编码得到的数据。该协议通过使用网络编码可以有效地提高网络吞吐量以及数据传输率，但该协议使用在节点密集的水下应用中时，由于其每个节点均发送三个数据包，导致网络碰撞严重，数据传输率反而降低。同时所有节点作为编码节点会导致能耗变大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高网络吞吐量和数据传输率的，异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，包括以下几个步骤：
步骤一：初始化MAC协议，确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间；
步骤二：使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点；
步骤三：网络编码层内的节点唤醒后，如果为普通节点则直接将接收到的数据包发送出去；如果为编码节点，进入步骤四；
步骤四：判断编码节点接收队列recQueue()中的数据包Pi是否为已经发送过的数据包，如果是，则丢弃该数据包，转到步骤八；如果不是，进入下一步；
步骤五：判断数据包Pi是否为元数据包，如果不是元数据则将其丢弃，转到步骤八；否则进入步骤六；
步骤六：如果编码节点的产生数据队列senQueue()不为空，则分别从接收队列recQueue()和产生数据队列senQueue()中各取一个数据包进行编码操作，得到编码数据Cn＝Pi⊕Pj；
如果编码节点的产生数据队列senQueue()为空，则从接收队列recQueue()中取连续的两个数据包进行编码操作，得到编码数据Cn＝Pi⊕Pi+1，其中Pi+1为当前编码节点前一时刻接收到的数据包；
步骤七：编码节点将编码数据发送给汇聚节点，同时将数据包Pi放入发送集合ForwardSet()中；步骤八：令i＝i+1，重复步骤四～步骤七，直到接收队列recQueue()中的数据为空。
本发明一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，还可以包括：
1、确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间的方法为：发送节点广播发送DET帧，DET帧中包含该发送节点下次唤醒发送数据的时间T，接收节点收到DET帧后对其进行解码，得到时间T，然后进入休眠状态，等待下次唤醒，时间T为每对发送节点和接收节点的数据交换时间。
2、使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点的方法为：
步骤一：汇聚节点广播发送SNC帧，SNC帧中包括能量阈值En和缓冲区阈值Bn；
步骤二：网络编码层内的接收到SNC帧的节点，判断自身的能量和缓冲区是否大于阈值，并且该节点的接收数据大于两个，则当前节点为编码节点；
步骤三：编码节点反馈给汇聚节点ACK帧，ACK帧包含该编码节点的地理位置信息，汇聚节点根据收到ACK帧个数确定编码节点个数Ns；
步骤四：将编码节点个数Ns和网络编码层节点个数的一半Nn/2进行比较，如果Ns≤Nn/2，得到最终的编码节点，如果Ns＞Nn/2，则减少编码节点，直到满足Ns＝Nn/2条件，得到最终的编码节点。
3、汇聚节点为AUV或水下滑翔机，普通节点为水下传感器，形成多个普通节点围绕单个汇聚节点的网络模型。
有益效果：
本发明在初始化MAC协议阶段首先采用异步占空比技术来确定网络中所有节点的数据交换时间，可以有效地避免节点因空闲监听信道产生的能量消耗，同时通过编码节点选择算法确定网络编码层中的编码节点个数以及分布，使汇聚节点的译码率达到最高；在数据传输阶段，普通节点唤醒时发送接收到的数据，而编码节点在唤醒时，使用编码算法进行编码后再传输，由于编码可以提高每次传输时所携带的数据量，因此能够提高网络吞吐量和带宽利用率。
附图说明
图1为模拟环境下节点部署图；
图2为每对节点的异步占空比调度机制图；
图3为数据包结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明针对现有UWAN-MAC协议中存在的网络吞吐量低、带宽利用率低的问题，MPNC-MAC协议中存在的能量消耗大的问题以及不适用于节点部署密集的水下环境的问题，提出了一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。具体为：
(1)初始化MAC协议阶段包含以下步骤：
1)发送方节点广播发送DET帧，收到DET帧的节点解析得到发送节点下次发送数据的时间后进入休眠状态，等待下次发送数据时唤醒。通过这种方式可以确定每对发送和接收节点均可以初始化数据交换时间。
2)汇聚节点广播发送SNC帧，所有一跳范围内节点(网络编码层)收到SNC帧后，使用编码节点选择算法来确定编码节点数量以及分布，实验证明网络编码层内编码节点个数占总数的50％时，汇聚节点的译码率最高，即数据传输率最大。
(2)数据传输阶段包含以下步骤：
1)利用初始化MAC协议阶段确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间以及节点类型。
2)若为普通节点在每次唤醒时发送接收到的数据，若为编码节点在每次唤醒时将接收到的数据使用编码算法进行编码后再传输。汇聚节点对其编码数据进行解码，得到对应的数据。
在水下传感器网络的数据采集应用中，传感器节点随机部署在某些固定的区域收集水下数据，并通过AUV或水下滑翔机移动到指定区域来获取数据并传输给水面基站。图1描述了上述应用的网络模型，其采用单个汇聚节点和多个传输节点，所有传输节点随机的部署在汇聚节点周围。
数据传输时，汇聚节点周围在数据流通量大，容易形成瓶颈区。因此将其邻居节点定义为网络编码层，编码节点都在网络编码层中，通过节点的编码技术可以有效避免数据流通量大的问题。
本发明描述了一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，该方法主要包含以下两个阶段：
(1)初始化MAC协议阶段，该阶段主要包含以下步骤：
1)如图2所示，图中描述了每对发送和接收节点确定数据交换时间的过程。发送方节点广播发送一个DET帧，其中包含该节点下次唤醒发送数据的时间“T”。接收方节点收到DET帧后，对其进行解码，得到对应的时间“T”，然后进入休眠状态，等待下次唤醒。通过这种方式每对发送和接收节点均可以初始化数据交换时间。
通过这种方式，可以有效避免节点空闲监听信道的时间，进而降低网络的能量消耗，提高能量利用率。
2)通过编码节点选择算法确定网络编码层内编码节点的数量及分布。首先，汇聚节点广播发送SNC帧，通知所有网络编码层节点进行编码节点选择，帧中包含确定为编码节点需要的能量阈值En和缓冲区阈值Bn；
所有接收到SNC帧的节点，判断自身的能量和缓冲区是否满足阈值，同时根据CheckRT()查找路由表确定节点是否接收多个数据，如果满足上述三个条件，则可以作为编码节点；
满足条件的节点会给汇聚节点反馈一个ACK帧，其中包含该节点的地理位置信息，汇聚节点可以根据收到ACK帧的个数来对编码节点的个数进行确定；
经实验证明，在网络编码层节点中，当编码节点个数占总个数的50％时，汇聚节点的解码效果最好。因此，根据汇聚节点统计的编码节点的个数Ns与网络编码层节点个数的一半Nn/2进行比较，如果Ns≤Nn/2，汇聚节点则直接将这些节点确定为编码节点；
如果Ns＞Nn/2，则对其个数进行减少。将汇聚节点通信范围等分为i部分，根据其获取的每个满足条件节点的地理位置信息，确定每个区域的节点个数并找到节点个数最多的区域Nimax。每次选择节点个数最多的区域Nimax来减少节点，每次减少min(Nimax/2,Ns-Nn/2)个节点，直到Ns＝Nn/2为止。
汇聚节点对剩余的节点发送ACK帧，确定它们为编码节点。
(2)数据传输阶段，该阶段主要包含以下步骤：
图3为节点发送数据包的结构图，其中含有两个部分：“RTS”和“DATA Tx”。其中“DATA Tx”是要传输的数据，“RTS”是一个控制帧，包含节点下次唤醒的时间“TA”，其中“TA”可能与初始化阶段的“T”不同。在数据传输过程中，发送节点可以对RTS帧进行修改，接收节点对修改的RTS帧进行解码，改变下次唤醒时间TA。这样可以避免节点每次修改唤醒时间都需要重新初始化，降低了时间以及能量消耗；
1)根据初始化MAC协议阶段确定每对节点的数据交换时间，以及节点的类型来进行数据传输；
2)普通节点唤醒后，将接收的数据包发送出去，并不对数据包进行处理；
3)编码节点唤醒后，采用编码算法将接收的数据进行编码后再发送。每个编码节点都维护一个接收队列(recQueue())和一个产生数据队列(senQueue())。其编码算法的步骤如下：
步骤一：将接收到的数据存放于接收队列recQueue(Pi)中；如果Pi为已经发送过的数据则直接退出本次循环，否则进入步骤二；
步骤二：判断Pi是否为元数据，如果不是元数据则将其丢弃，否则进入步骤三；
步骤三：如果senQueue()不为空，则分别从两个队列中各取一个数据包进行编码操作Cn＝Pi⊕Pj；，如果senQueue()为空时，则在队列中的下为一个位置取出数据包Pi+1，将两个接收数据包进行编码操作Cn＝Pi⊕Pi+1。
步骤四：编码数据发送给汇聚节点，同时将Pi放入发送集合ForwardSet()中，此集合用于存储已发送的数据以防止冗余数据的发送。并返回步骤二，直到recQueue()中的数据为空。
采用如上算法，降低了网络编码层内数据流通量同时提高了网络中数据包的信息量，这样不仅提高了网络的吞吐量以及数据传输率，同时还能够保证网络的可靠性。
汇聚节点将接收到的编码数据进行解码，得到对应的数据。

Claims (4)

1.一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：初始化MAC协议，确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间；
步骤二：使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点；
步骤三：网络编码层内的节点唤醒后，如果为普通节点则直接将接收到的数据包发送出去；如果为编码节点，进入步骤四；
步骤四：判断编码节点接收队列recQueue()中的数据包Pi是否为已经发送过的数据包，如果是，则丢弃该数据包，转到步骤八；如果不是，进入下一步；
步骤五：判断数据包Pi是否为元数据包，如果不是元数据则将其丢弃，转到步骤八；否则进入步骤六；
步骤六：如果编码节点的产生数据队列senQueue()不为空，则分别从接收队列recQueue()和产生数据队列senQueue()中各取一个数据包进行编码操作，得到编码数据Cn＝Pi⊕Pj；
如果编码节点的产生数据队列senQueue()为空，则从接收队列recQueue()中取连续的两个数据包进行编码操作，得到编码数据Cn＝Pi⊕Pi+1，其中Pi+1为当前编码节点前一时刻接收到的数据包；
步骤七：编码节点将编码数据发送给汇聚节点，同时将数据包Pi放入发送集合ForwardSet()中；
步骤八：令i＝i+1，重复步骤四～步骤七，直到接收队列recQueue()中的数据为空。
2.根据权利要求1所述的一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，其特征在于：所述的确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间的方法为：发送节点广播发送DET帧，DET帧中包含该发送节点下次唤醒发送数据的时间T，接收节点收到DET帧后对其进行解码，得到时间T，然后进入休眠状态，等待下次唤醒，时间T为每对发送节点和接收节点的数据交换时间。
3.根据权利要求1所述的一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，其特征在于：所述的使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点的方法为：
步骤一：汇聚节点广播发送SNC帧，SNC帧中包括能量阈值En和缓冲区阈值Bn；
步骤二：网络编码层内的接收到SNC帧的节点，判断自身的能量和缓冲区是否大于阈值，并且该节点的接收数据大于两个，则当前节点为编码节点；
步骤三：编码节点反馈给汇聚节点ACK帧，ACK帧包含该编码节点的地理位置信息，汇聚节点根据收到ACK帧个数确定编码节点个数Ns；
步骤四：将编码节点个数Ns和网络编码层节点个数的一半Nn/2进行比较，如果Ns≤Nn/2，得到最终的编码节点，如果Ns＞Nn/2，则减少编码节点，直到满足Ns＝Nn/2条件，得到最终的编码节点。
4.根据权利要求1所述的一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，其特征在于：所述的汇聚节点为AUV或水下滑翔机，普通节点为水下传感器，形成多个普通节点围绕单个汇聚节点的网络模型。
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