CN106162926B - 一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，步骤包括：S1、信道中存在待发送数据包的节点；S2、待发送的节点检测信道是否空闲，若信道空闲，则发送数据包；若信道忙碌，则进入退避阶段；S3、节点进入退避阶段后，初始化水声网络中各个发送节点的竞争窗口值，并计算各个发送节点与接收节点之间的传播时延；S4、根据计算所得的传播时延，计算各个发送节点的竞争窗口长度；S5、将竞争窗口长度作为节点的退避时长，使用退避计数器计算退避时长，当退避计数器减到0时，节点发送数据包；S6、完成发送数据包后，信道恢复到空闲状态。本方法具有更高的网络吞吐量、更低的端到端时延、更低的平均能耗以及更高的单次发送成功率。

Description

一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法
技术领域
本发明涉及水声网络领域，尤其涉及一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法。
背景技术
随着科学技术的进步与发展，自上世纪中叶以来，海上军事应用产品以及海洋资源开发的需求不断增加，导致对海洋的研发速度加快，且使得越来越多的科研成果投入到研发过程中。其中，水声传感器网络的应用变得日益广泛，在海洋数据采样、海啸地震灾难预警、搜救护航、海洋污染监控、资源探测、潜艇隐藏与反潜、鱼雷制导等方面发挥着重大作用。与成熟的陆上无线网络不同，水声传感器网络有着环境恶劣、可用带宽窄、传播时延长、信号衰减大、多径明显、多普勒频移等特点。因此，陆上无线通信媒质接入控制协议不能直接用于水声传感器网络中。
作为水声传感器网络的主要组成部分，媒体接入控制协议需要同时兼顾吞吐量、端到端时延和能耗等性能指标。因此，构建一个可靠、高能效、高吞吐量和低时延的水声传感器网络很有必要。对于有退避机制的媒质接入控制协议，节点竞争窗口值设置的偏大或偏小都将影响网络的吞吐量。例如在文献《Parrish N,Tracy L,Roy S,et al.Systemdesign considerations for undersea networks:Link and multiple accessprotocols[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2008,26(9):1720-1730》中所提出的CW-MAC协议，它是在ALOHA协议基础上增加了载波侦听机制，当有数据需要发送时，节点要先侦听信道，当前信道空闲节点可以立即发送数据；当前信道忙碌时，发送节点在零到最大竞争窗口值之间随机选取一个整数值，再乘上设定的时隙，把相乘后的值作为退避计数器初始值进行退避。倒计时结束后进行数据包发送，在计时过程中，一旦检测到信道忙碌即暂停计数器，当信道再次空闲时重启计时器。网络场景发现变化时，例如传感器节点电源能量耗尽使得网络节点变少，某些节点因脱离锚点而改变位置，和布置加入新的传感节点等，由于它的竞争窗口长度是预设固定的，不能根据网络场景动态调整竞争窗口的大小。对于竞争窗口固定的协议在长时延、高误码率、低带宽的水声通信中，有以下的不足：
(1)节点竞争窗口值设置的越大则该节点接入信道的概率越低，导致信道利用率低、网络吞吐量下降以及时延较长。相反，节点竞争窗口值设置的越小则该节点接入信道的概率越高，但是会增大发生碰撞的概率。
(2)由于网络中节点所处的地理位置和接收节点的距离各有差异，若各个节点设置相同的竞争窗口值，则会导致不能合理利用信道资源，且当网络拓扑结构发生变化时，系统也难以通过自我迭代调节达到新的最优状态。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，该方法具有更高的网络吞吐量、更低的端到端时延、更低的平均能耗以及更高的单次发送成功率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，包括以下步骤：
S1、信道中存在待发送数据包的节点；
S2、待发送的节点检测信道是否空闲，若信道空闲，则发送数据包；若信道忙碌，则进入退避阶段；
S3、节点进入退避阶段后，初始化水声网络中各个发送节点的竞争窗口值，并计算各个发送节点与接收节点之间的传播时延；
S4、根据计算所得的传播时延，计算各个发送节点的竞争窗口长度；
S5、将竞争窗口长度作为节点的退避时长，使用退避计数器计算退避时长，当退避计数器减到0时，节点发送数据包；
S6、完成发送数据包后，信道恢复到空闲状态。
进一步地，所述步骤S3中的传播时延的计算方法如下：
其中，D(I,R)表示节点I和R之间的传播时延，TRTT表示往返时间RTT所需要的时间，Ti表示节点I从发送询问包到收到节点R的应答包之间的时间长度，Tr表示节点R收到节点I的询问包到它发送应答包之间的时间长度。
进一步地，所述步骤S4中的竞争窗口长度的计算方法为：
假设网络中有n个发送节点均匀分布在半径为A的圆形区域内，圆内所有节点均互相可达，信号在圆形区域内传播速度不变，令速度集合为S＝{S1,S2,…,Sn}，对应发送节点到接收节点的传播时延的集合为D＝{D1,D2,…,Dn}，则发送节点到接收节点的平均传播时延Davg为：
对于发送节点i的竞争窗口CWi长度为：
其中，α为形变因子。
进一步地，所述对于发送节点i的竞争窗口CWi，其调节流程为：
S41、初始化发送节点竞争窗口的值；
S42、用往返时间计算发送节点到接收节点的传播时延；
S43、用传播时延计算各个发送节点竞争窗口的值；
S44、重新设置各发送节点竞争窗口的值。
进一步地，所述形变因子α取值为1.25。
进一步地，所述传播时延指发送节点到接收节点的传播时延，发送节点到接收节点的不同距离表示其之间的传播时延也是不同的，且所述传播时延正比于两节点之间的距离。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
1、本发明在网络拓扑结构发生变化时，系统能通过自我迭代调节到新的最优状态，使能够合理利用信道资源，且保持网络吞吐量在较高水平。
2、本发明的水声网络中根据各个发送节点与接收节点的距离之间的差异，对各个发送节点设置不同的竞争窗口值，使得本发明具有更高的网络吞吐量、更低的端到端时延、更低的平均能耗以及更高的单次发送成功率。
附图说明
图1为本发明一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法的星形网络拓扑图；
图2为本发明一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法的步骤流程图。
图3为本发明一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法的用往返时间计算传播时延图。
图4为本发明一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法的竞争窗口分布式接入方法的子流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
本发明采用的是星形汇聚网络拓扑结构，如图1所示，接收节点位于网络分布区域中心，网络中的发送节点均匀分布并能够侦听到其它节点的信号。
如图2所示，本发明提供一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，步骤如下：
S1、信道中存在待发送数据包的节点；
S2、待发送的节点检测信道是否空闲，若信道空闲，则发送数据包；若信道忙碌，则进入退避阶段；
S3、节点进入退避阶段后，初始化水声网络中各个发送节点的竞争窗口值，并计算各个发送节点与接收节点之间的传播时延；传播时延具体指发送节点到接收节点的传播时延，发送节点到接收节点的不同距离表示其之间的传播时延也是不同的，且所述传播时延正比于两节点之间的距离；
S4、根据计算所得的传播时延，计算各个发送节点的竞争窗口长度；
S5、将竞争窗口长度作为节点的退避时长，使用退避计数器计算退避时长，当退避计数器减到0时，节点发送数据包；
S6、完成发送数据包后，信道恢复到空闲状态。
其中传播时延的测定可以使用测量往返时间RTT(Round-Trip Time)的方法获得。
如图3所示，节点I发送一个询问包后，同时保存自己的发包时间tsend(I|T＝I)，其中T＝I表示在节点I时间轴上，节点R收到询问包后，记下收包时间trece(I→R|T＝R)，然后发送应答包，在应答包中加入收包时间和发送时刻tsend(R|T＝R)的两个时刻的时间戳，节点I收到应答包记录收包时间trece(R→I|T＝I)，然后通过两节点收发时刻相减可以算出图3中时间间隔Tr和Ti，然后节点I和节点R之间的传播时延就可采用以下方法计算：
其中，D(I,R)表示节点I和节点R之间的传播时延，TRTT表示往返时间RTT所需要的时间，Ti表示节点I从发送询问包到收到节点R的应答包之间的时间长度，Tr表示节点R收到节点I的询问包到它发送应答包之间的时间长度。为使符号简化表达，可令：Di＝D(I,R)。
竞争窗口长度计算方法为：根据发送节点与接收节点之间的不同距离，制定一种发送节点分布式竞争窗口值的方法。假设网络中有n个发送节点，其集合为S＝{S1,S2,…,Sn}，发送节点到接收节点的传播时延集合为D＝{D1,D2,…,Dn}，则发送节点到接收节点的平均传播时延为：
根据上文所述，对于距离接收节点近的发送节点，其竞争窗口值变小即可；反之距离接收节点较远的发送节点，时使其竞争窗口的值变大。对于发送节点i可使其竞争窗口CWi满足：
α为形变因子，取1.25。发送节点竞争窗口的调节流程。发送节点计算各自竞争窗口值的时候使用式(1)和式(2)。把优化后的竞争窗口长度作为退避计数器的长度，当退避计数器减到0时，该节点发送数据包。
如图4所示，发送节点竞争窗口的调节流程为：
1、初始化发送节点竞争窗口的值；
2、用往返时间计算发送节点到接受节点的传播时延；
3、用传播时延计算各个发送节点竞争窗口的值；
4、重新设置各发送节点竞争窗口的值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (5)

1.一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、信道中存在待发送数据包的节点；
S2、待发送的节点检测信道是否空闲，若信道空闲，则发送数据包；若信道忙碌，则进入退避阶段；
S3、节点进入退避阶段后，初始化水声网络中各个发送节点的竞争窗口值，并计算各个发送节点与接收节点之间的传播时延；
S4、根据计算所得的传播时延，计算各个发送节点的竞争窗口长度；
S5、将竞争窗口长度作为节点的退避时长，计算退避时长，当退避计数器减到0时，节点发送数据包；
S6、完成发送数据包后，信道恢复到空闲状态；
所述步骤S4中的竞争窗口长度的计算方法为：
假设网络中有n个发送节点均匀分布在半径为A的圆形区域内，圆内所有节点均互相可达，信号在圆形区域内传播速度不变，令速度集合为S＝{S1,S2,…,Sn}，对应发送节点到接收节点的传播时延的集合为D＝{D1,D2,...,Dn}，则发送节点到接收节点的平均传播时延Davg为：
对于发送节点i的竞争窗口CWi长度为：
其中，α为形变因子。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，其特征在于，所述步骤S3中的传播时延的计算方法如下：
其中，D(I,R)表示节点I和R之间的传播时延，TRTT表示往返时间RTT所需要的时间，Ti表示节点I从发送询问包到收到节点R的应答包之间的时间长度，Tr表示节点R收到节点I的询问包到它发送应答包之间的时间长度。
3.根据权利要求2所述的一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，其特征在于，所述对于发送节点i的竞争窗口CWi，其调节流程为：
S41、初始化发送节点竞争窗口的值；
S42、用往返时间计算发送节点到接收节点的传播时延；
S43、用传播时延计算各个发送节点竞争窗口的值；
S44、重新设置各发送节点竞争窗口的值。
4.根据权利要求2所述的一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，其特征在于，所述形变因子α取值为1.25。
5.根据权利要求1或2所述的一种适用于水声网络的分布式竞争窗口接入方法，其特征在于，所述传播时延指发送节点到接收节点的传播时延，发送节点到接收节点的不同距离表示其之间的传播时延也是不同的，且所述传播时延正比于两节点之间的距离。
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