CN104619005B - 一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ；2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，本发明能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境；能够确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率，并尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。

Description

一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体地说，本发明涉及一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法。

背景技术

由于水下环境和地面环境存在巨大的差异，使得现有的地面无线通信网络的MAC协议和链路调度方法无法直接应用于水下传感器网络中，需要重新设计效率高，稳定性好的MAC协议。水下传感器网络协议和方案设计所面临的挑战主要有如下几点：

(1)由于声速相对较低(1500m/s)，导致水下环境的传播延迟比地面信道中的无线电波高了五个数量级(参考R.J.Urick,“Principles of Underwater Sound 3rdEdition,”McGraw-Hill,1983.)。

(2)水声信道具有严重的衰减特性，特别是由于时变多径和衰落所引起的信号衰减。

(3)水声信道的带宽相对较低，大约只有10k/bps(参考M.Molins andM.Stojanovic,“Slotted FAMA:a MAC Protocol for Underwater Acoustic Networks,”in Proceedings of IEEE/MTS OCEANS,2006,pp.1–7.)。

(4)水声信道网络拓扑动态变化非常剧烈。

传播延迟过高会造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear-to-send)类MAC协议性能严重的降低，并且会引起时空不确定性，导致数据传输发生冲突，造成MAC协议失效，这种时空不确定性及其引发的问题可参考文献：A.Syed,W.Ye,J.Heidemann,andB.Krishnamachari,“Understanding spatio-temporal uncertainty in medium accesswith aloha protocols,”in Proceedings of the second workshop on Underwaternetworks.ACM,pp.41–48,Sept.2007.，该文献中指出节点收发包不仅与包的发送时间有关，而且与收发节点间的欧式距离有关。也就是说，时空不确定性取决于在不同位置的包的发送时间和传播延迟。这导致地面信道的MAC协议不适合水下传感器网络。

例如，地面信道中经典的MACA协议就不适合水下传感器网络。原因如下：

(1)、MACA协议中的RTS/CTS类协议发送一个数据包就需要四次握手(RTS——>CTS——>DATA——>ACK)，由于水下传感器网络中传播延迟很大，四次握手过程花费了大量的时间，这明显的降低了系统的性能。假设网络中存在两个节点A和B，网络的带宽是10Kbps，A和B节点的距离是1.5KM，声速为1500m/s。如果A需要向B发送1个长度为100B的数据包，A需要先向B发送一个大小为10B的RTS，耗费8ms，传播延迟为1s；B收到RTS后，向A发送大小为10B的CTS，耗费8ms，传播延迟为1s；A收到CTS后，发送100B的数据包，耗费80ms，传播延迟1s；B受到数据包后，发送10B的ACK数据包，耗费8ms，传播延迟1s；发送一个大小为100B的数据包需要耗费4104ms。可以看出：MACA在水下传感器网络中的应用，会由于较大的传播延迟，造成系统性能严重受损。

(2)、对于负载比较重的水下传感器网络，RTS/CTS类协议会引发频繁退避，增加了报文传输时间，降低系统的性能。

(3)、水下传感器网络MAC协议需要具有公平性，它要求每个节点都处于同等的地位，但对于RTS/CTS协议来说，其固有的暴露终端和隐藏终端问题使得某些节点总是处于不利的地位。

另一方面，目前虽然还存在一些基于信道争用的分布式随机MAC协议，但它们都未对发送成功率和重发次数的关系进行研究，导致要么传输延迟过高，要么发送成功率过低。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种能够能很好的适用于网络拓扑动态变化的环境的水下无线传感器网络媒体介质访问控制解决方案。

本发明提供了一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：

1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ；

2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，

其中，所述同步网络的时隙为该网络中最大数据包的传输延迟。

其中，所述水下无线传感器网络为单跳网络。

其中，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数并直接将其作为所述最大度n。

其中，所述水下无线传感器网络为多跳网络。

其中，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数，然后将这个邻居节点个数传递至整个网络，然后每个节点根据所接收的其它节点的邻居节点个数以及其自身的邻居节点个数，得出其所处传感器网络拓扑结构中的最大度n。

其中，所述水下无线传感器网络通过运行时间同步算法，使得网络中所有节点的时间基于所述时隙实现同步。

其中，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)节点需要发送数据包时，在一个时隙开始时，以概率X＝1/(n+1)获取发送权，如果获取发送权成功，进入步骤22)，如果获取发送权不成功，则进入步骤23)；

22)该节点进入发送状态发送所述数据包，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次；

23)该节点进入接收状态，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次。

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

1、本发明能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境。

2、本发明能够确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率，并尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了本发明一个实施例中的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一个适用于水下传感器网络的分布式随机(Distributed Random)MAC协议——DRMAC，该协议克服了水下传感器网络中传播延迟高这一问题，充分降低节点之间的传输延迟，同时有效缓解时空不确定性引起的数据传输冲突。本协议的运行只需要网络中邻居节点的信息，具备分布式的特点，能很好的适用于网络拓扑动态变化的环境。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于单跳网络的水下传感器网络的媒体访问控制方法。所谓单跳网络是指该水下传感器网络中的任意两个节点互为邻居节点。这样任一个节点的邻居节点数目均相同。本实施例的网络满足以下条件：

(1)、网络中邻居节点之间的时间是基于时隙同步的；(2)、单个数据包的传输时间不大于一个时隙的时间；(3)对于每个节点，每个时隙最多只能发送一个数据包。

进一步地，本实施例提出了一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法，包括下列步骤：

步骤101：运行时间同步算法，使得网络中所有节点时间同步。时间同步算法可采用ftsp(The Flooding Time Synchronization Protocol)或tpsn(Timing-sync Protocolfor Sensor Networks)算法。本步骤中，各个节点基于时隙同步，所述时隙是进行数据包发送的基本时间单位，它与传感器网络所设定的数据包的大小相关。在一个实施例中，时隙设定为传感器网络中最大数据包的传输延迟，传输延迟是指源节点发出数据包到目的节点接收数据包所需的时间，传输延迟＝传输时间+传播时延，传输时间是指源节点发送数据包第一个字节到最后一个字节的之间的时间，不包括数据包在信道中从一个节点传播到与其相邻的另一个节点所需的传播时延。传播时延是指的源节点发送完数据包，到目的节点开始接收数据包的时间。基于时隙同步时，同步误差只要不超过一个时隙的大小就可以，因此本实施例对同步精度的要求相对不高，更加适合于水下无线传感器网络。

步骤102：根据邻居发现协议使得网络中的每个节点获得自己的邻居个数n。配置所需的数据包收发成功率θ，θ可以由管理人员根据情况配置，也可以仅配置初始值，然后由传感器网络根据实时测出的水声信道条件进行自动调整。

步骤103：所有节点基于DRMAC协议，根据邻居个数n和数据包成功收发概率θ确定重发次数m。重发次数其中，符号表示向上取整。只要重发次数满足m，即可使数据包成功收发概率达到θ，其原理将在下文中详述。

步骤104：对于每个节点，当该节点需要发送数据包时，在当前的时隙开始时，以概率X＝1/(n+1)争用发送权。如果获得发送权，则进入步骤105，如果没有获得发送权，则进入步骤106。

步骤105：切换到发送状态并发送数据包，完成后，回到步骤104，进入下一个时隙并进行相应的数据处理，直至步骤104已被执行m次。

步骤106：切换到接收状态，接收周围邻居发送的数据包，接收完成后，回到步骤104，进入下一个时隙并进行相应的数据处理，直至步骤104已被执行m次。

上述步骤104至106实际上就是以概率X＝1/(n+1)，尝试发送同一数据包m次，以使该数据包的收发成功率θ达到预期值。此处发送成功率θ是指数据包发送并接受成功的概率。

下面对步骤103中设置重发次数m的原理进行详细论述。

结论1：在任意单跳网络内，邻居节点数为n(n≥1)的节点，在DRMAC中的任意一个时隙内，节点发送以一定的概率X尝试发送数据包，当X＝1/(n+1)时，数据包成功收发的概率P(S)为最大。

证明：在任意单跳网络内，若某一时隙内只有一个节点发送数据包，其它节点都处于接收状态，则报文会被其所有邻居成功接收到，即成功收发，其概率P(S)为：

P(S)＝X(1-X)ⁿ

为了让成功收发的概率P(S)最大，对P(S)求导得：

P(S)'＝(1-X)ⁿ+X(1-X)^n-1(-1)

根据P(S)'＝0得，当成功收发的概率P(S)最大时，X＝1/(n+1)

结论2：在任意单跳网络内，邻居节点数为n(n≥1)的节点，在DRMAC的进行第i次数据包发送尝试，记节点在第i次成功收发事件为S_i，则

证明：

若某一时隙内只有一个节点发送数据包，其概率为其它节点都处于接收状态，其概率为则报文会被其所有邻居成功接收到，即成功收发。

由于当x≥2时，有不等式成立，因此当n≥1时，

由于因此

由于可能存在着信道复用冲撞，节点难以确认发送的数据包是否被邻居节点成功接收，因此对同一个数据包进行多次重复发送会提高数据包的发送成功率。对于DRMAC来说，必须求出一个合理的重复尝试次数m，以在保证收发成功率的前提下尽可能减小发送次数。

以下的结论3就是关于发送成功率和尝试次数的关系的结论。

结论3：在任意单跳网络内，在DRMAC协议下发送一个数据包，当尝试次数m设置为时，数据包成功收发的概率不小于θ。

证明：

当发送循环次数为m时，记在DRMAC的第i次发送中，节点在该次成功收发事件记为S_i，p(S_i)为成功的概率，这里简写为p。由于S_i(i＝1,…,m)事件之间独立同分布，根据容斥原理得：

由二项式定理得：

由得：

将(2)式代入(1)式得：

(1-p)^m＝1-mp+mp-Q＝1-Q

所以，

Q＝1-(1-p)^m (3)

(3)式可以解释为：至少有一次收发成功的概率，即其它m-1次收发都失败的概率。因此这个问题就转化为在结论1的条件下求Q极值的问题。

把Q＝1-(1-p)^m看作是p的函数，对Q求一阶导数得：

Q'(p)＝-m(1-p)^m-1(-1)

＝m(1-p)^m-1>0

在时，Q(p)最小，因此要求Q(m)的最小值，此时

把代入(3)得：

设Q的下界是θ，则由得尝试次数m为

m为正整数

即报文收发的成功率Q不小于θ。

根据以上结论可知，当节点需要传输一个报文时，它将尝试发送次，每次发送概率为1/(n+1)，即可保证该报文的发成功的概率不小于θ。

基于上述方案，本发明能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境，能够在确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率的前提下，尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。

本发明的基于DRMAC协议的媒体介质访问控制方法在突发短报文情况下的优势更为明显。假设UWSN中节点的带宽为10Kbps，当短报文长度为16位时，可以限定时隙长度为1.6ms。当节点邻居个数为4时，在保证发送成功率为90％的前提下，则在DRMAC下，只需要56ms的时间就可以结束传输。而如果使用传统的RTS/CTS类协议，水声的传播速度为1500m/s，假设接收者和发送者相距为150米，仅仅一次握手就需要花费200ms的时间。

进一步地，在一个实施例中，分布式随机MAC(DRMAC)协议具体为：节点在发送一个报文(即数据包)时，将在m个时隙内反复以一定的概率X＝1/(n+1)尝试发送。实现DRMAC协议的伪代码如下：

根据上述方案即可让每个节点简单地实现以概率X＝1/(n+1)尝试发送数据包。

进一步地，本发明的设计思想还能够推广到多跳网络中，此时n的取值为传感器网络拓扑结构中的最大度，即网络中具有最多邻居的节点的邻居节点个数。此时，有下述结论4成立。

结论4：网络的最大度(即网络中具有最多邻居的节点的邻居节点个数)为n，网络中任何一个节点在DRMAC的第i次数据包发送尝试，记该节点在第i次成功收发事件为S_i，则

论证如下：

对于网络中的某个节点A,其邻居节点数目为n₀(n₀≤n),若在某一时隙内只有A节点发送数据包，其概率为其它邻居节点都处于接收状态，其概率为则报文会被其所有邻居成功接收到，即成功收发。

由于当x≥2时，有不等式成立，因此当n≥1时，

进一步地，在结论4成立的前提下，参考前文对结论3的论证，有下述结论5成立。

结论5：在任意单跳网络内，在DRMAC协议下发送一个数据包，当尝试次数m设置为时，数据包成功收发的概率不小于θ。其中n为传感器网络拓扑结构中的最大度。

基于上述论述，本发明的实施例提供了一种基于多跳网络的水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法，它与基于单跳网络的实施例基本一致，区别仅在于步骤102中n的取值。该实施例中，步骤102如下：各个节点根据邻居发现协议获得自己的邻居个数，然后将这个邻居节点个数传递至整个网络，然后每个节点根据所接收的其它节点的邻居节点个数以及其自身的邻居节点个数，得出其所处传感器网络拓扑结构中的最大度n。然后每个节点再获取所需的数据包成功收发的概率θ。

事实上，在单跳网络中，由于每个节点的邻居数都相同，因此在单跳网络的实施例中，也可以认为其步骤102中的n就是指传感器网络拓扑结构中的最大度。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其它的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (8)

1.一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：

1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ，其中，n是所述水下无线传感器网络中具有最多邻居的节点的邻居节点个数；

2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，

2.根据权利要求1所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述同步网络的时隙为该网络中最大数据包的传输延迟。

3.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述水下无线传感器网络为单跳网络。

4.根据权利要求3所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数并直接将其作为所述最大度n。

5.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述水下无线传感器网络为多跳网络。

6.根据权利要求5所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数，然后将这个邻居节点个数传递至整个网络，然后每个节点根据所接收的其它节点的邻居节点个数以及其自身的邻居节点个数，得出其所处传感器网络拓扑结构中的最大度n。

7.根据权利要求1至6任一项所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述水下无线传感器网络通过运行时间同步算法，使得网络中所有节点的时间基于所述时隙实现同步。

8.根据权利要求1至6任一项所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)节点需要发送数据包时，在一个时隙开始时，以概率X＝1/(n+1)获取发送权，如果获取发送权成功，进入步骤22)，如果获取发送权不成功，则进入步骤23)；

22)该节点进入发送状态发送所述数据包，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次；

23)该节点进入接收状态，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次。