CN106911398B - 动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法 - Google Patents

动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法。是在水下传感器网络中按以下步骤实现：1)节点空闲时通过睡眠唤醒机制监听控制信道维护邻居信息、信道占用信息以及网络负载指数。2)发送节点发起数据发送请求后，接收节点根据数据包长和网络负载情况动态选择信道协商策略。本发明是一种分布式水下多信道MAC协议通信方法，通过动态选择信道协商策略来进行数据传输。实验证明该方法具有较高的网络性能并且在分布式环境下具有更高的适应性。

Description

动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信 方法
技术领域
本发明涉及一种水下传感器网络(Underwater Sensor Networks，UWSNs)多信道介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议通信方法，具体说是一种动态信道协商的水下传感器网络多信道MAC协议通信方法。
背景技术
UWSNs在海洋资源勘测、环境污染监测、水下辅助导航和监视等方面有非常广泛的应用前景。MAC协议作为UWSNs中的关键问题，近年来受到了很高的重视。随着水声通信技术的发展，UWSNs实现了多信道通信技术。为了更好的利用水下带宽资源，将总信道资源划分为若干个子信道，通过多个子信道同时传输数据来提高网络整体性能。由于UWSNs多信道网络环境中存在多信道收发设备昂贵以及三重隐终端问题，所以针对多信道水下传感器网络设计MAC协议具有重大的意义。
针对UWSNs传输时延较长带来的三重隐藏终端问题，Jun-Hong Cui等人提出了基于合作的水下多信道MAC协议通信方法(Cooperative Underwater Multichannel MAC，CUMAC)。CUMAC在接收节点收到发送请求之后，询问邻居节点选择的信道是否会发生碰撞，通过与邻居节点的合作机制来减少碰撞发生的概率；但是该方法的局限性在于，不仅需要一个额外的设备来发送合作信息，并且为了降低碰撞率该协议会一直询问邻居节点，直到所有邻居节点都认为选择的信道不会产生碰撞，从而导致产生过多的通信消耗。
Kaarthikeyan S等人提出了动态占空比的多跳冗杂多信道MAC协议通信方法(Dynamic Duty-cycled Multiple-Rendezvous MultiChannel MAC，DMM-MAC)。DMM-MAC通过动态占空比的循环仲裁系统来减少在多跳高负载和突发流量情况下碰撞发生的概率。但是该方法仅适用于多跳高负载中突发流量的应用场景，当网络负载较低时通信效率很低，网络性能也随之下降。
Yishan Su等人提出了节能的多信道MAC协议通信方法(Underwater Multi-channel MAC Protocol，UMMAC)。UMMAC通过信道分配和能量控制算法(ChannelAllocation And Power Control Algorithm，CAPC)进行信道协商。该方法能够有效的减少网络的整体能耗，并且有较低的碰撞率，但是该方法的局限性在于所有的节点必须都在彼此的一跳通信范围内即仅考虑了一个冲突域，无法适用于多跳的网络环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高了网络性能，在分布式环境下具有较强的适应性的动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道，节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点；
(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包即RTS，如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)，如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包即WCTS，则开启定时器，如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输；
(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略；
(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用列表以及邻居信息表；当监听到WCTS时，根据WCTS中的修正节点列表判断是否有权限进行信道修正；如果具有修正权限，则根据本地可用信道列表判断WCTS中询问的信道是否会产生碰撞，如果会产生碰撞则在本地可用信道列表中选择最低的数据信道，并在WCTS中指定的时间发送XCTS；如果不具有修正权限或者不会产生碰撞，则空闲节点保持沉默；
(5)接收节点发送CTS之后，切换至数据信道等待接收数据，发送节点收到CTS或者收到WCTS并超时之后，切换至数据信道进行数据发送，接收节点正确接收完数据，向发送节点发送确认包即ACK，整个通信过程完成，超时后发送节点如果没有收到ACK，将重新发起RTS进行重传。
所述不同的信道协商策略包括：当数据包长P小于包长阈值Pf并且网络负载指数L小于Lf时，直接回复CTS通知发送节点选定的数据信道；否则，采用基于合作修正的信道协商过程，发送WCTS询问邻居节点选择的信道是否会产生碰撞，在邻居节点中回复的修正清除发送包即XCTS中选择出现频率最高的信道作为最终的数据信道，回复CTS通知发送节点。
本发明的提出了一种动态信道协商策略的水下传感器网络多信道MAC协议通信方法，该方法根据发送的数据包长度和接收节点一跳范围内的网络负载情况采用不同的信道协商策略，在数据包长较小并且网络负载较低时采用简单的信道协商过程；否则，采用消除发送包(Clear To Send，CTS)修正的信道协商过程，在分布式环境下具有更强的适应性。
本发明的有益效果是：通过结合数据包长以及网络负载动态的采用不同的信道协商策略，使得在短数据包和低网络负载时采用简单直接的信道协商过程，使传输更高效；否则采用基于合作修正的信道协商策略，降低了碰撞发生的概率，提高了网络性能，在分布式环境下具有较强的适应性。
附图说明
图1是本发明的工作时序图。
图2是控制帧格式图。
图3是最小间距示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的具体过程如下：
(1)本发明将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道。节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息。为了便于描述，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点。
(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包(Request ToSend，RTS)。如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)。如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包(WaittingClear To Send，WCTS)，则开启定时器。如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输。
(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略。当数据包长P小于包长阈值Pf并且网络负载指数L小于Lf时，直接回复CTS通知发送节点选定的数据信道；否则，采用基于合作修正的信道协商过程，发送WCTS询问邻居节点选择的信道是否会产生碰撞，在邻居节点中回复的修正清除发送包(X Clear To Send，XCTS)中选择出现频率最高的信道作为最终的数据信道，回复CTS通知发送节点。
(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用列表以及邻居信息表；当监听到WCTS时，根据WCTS中的修正节点列表判断是否有权限进行信道修正；如果具有修正权限，则根据本地可用信道列表判断WCTS中询问的信道是否会产生碰撞，如果会产生碰撞则在本地可用信道列表中选择最低的数据信道，并在WCTS中指定的时间发送XCTS；如果不具有修正权限或者不会产生碰撞，则空闲节点保持沉默。
(5)接收节点发送CTS之后，切换至数据信道等待接收数据，发送节点收到CTS或者收到WCTS并超时之后，切换至数据信道进行数据发送。接收节点正确接收完数据，向发送节点发送确认包(Acknowledgement，ACK)，整个通信过程完成，超时后发送节点如果没有收到ACK，将会重新发起RTS进行重传。
下面结合附图对本发明提出的动态信道协商策略的水下传感器网络多信道MAC协议做进一步详细描述：
(1)协议帧格式：
如图2所示，所有控制帧中都包含发送节点标识、接收节点标识、时间戳以及包类型，分别用来区分双方节点、控制帧发送时间以及控制帧的类型。RTS帧中包含可用信道列表和数据包长，可用信道列表用于通知接收节点自己当前的可用信道，数据包长表示发送节点发送的数据包长度。CTS中包含信道号，即接收节点协商之后的数据信道。WCTS帧格式中包含等待时间和修正列表，等待时间是节点发送修正数据包XCTS的时间，修正列表用于标识哪些节点具有修正的权限。XCTS帧格式具有很短的帧长，仅包含接收节点标识和信道号，信道号为给出的建议数据信道号。
(2)网络负载指数：
网络负载指数用来衡量节点一跳范围内的网络负载情况，它与当前节点一跳范围内正在进行数据传输的节点数量成正比，表达式为：
Figure BDA0001227382320000041
其中，L(t)是在t时刻的网络负载指数，N(t)是在t时刻正在进行数据传输的节点的数量，C是节点的数据信道的数量，是一个常量。
正在进行数据传输的节点数量为指定时间段内成功的信道协商次数之和，表达式如下：
Figure BDA0001227382320000042
其中，Δt是时间段区间长度，Np(t)是t时刻成功的信道协商次数。
成功的信道协商次数与当前的控制包的数量有关，其表达式如下：
Np(t)＝Nrts(t)+Ncts(t)+Nwcts(t)-Nack(t) (3)
其中，Nrts(t)是t时刻之前所有RTS帧的数量，Ncts(t)表示t时刻之前所有CTS帧的数量，Nwcts(t)是t时刻之前所有WCTS的数量，Nack(t)是t时刻之前所有的应答帧ACK的数量。
联立公式(1)、(2)、(3)，得到最终的网络负载指数如下：
Figure BDA0001227382320000051
(3)生成修正节点列表和修正发起时间：
当接收节点采取基于合作修正的信道协商过程时，首先从可用信道列表中选择一个数据信道，然后从自己的邻居节点中通过公式(5)选取部分节点，这些节点将有权对选择的信道进行修正，通过公式(6)产生修正发起时间。
本发明将在接收节点的邻居节点中选取一系列的节点，使得这些节点中不存在任意两个节点到接收节点的距离之差小于距离阈值d，来避免修正数据包XCTS的碰撞。如图3所示，节点A和节点C在同一时刻向B发送相同长度的数据包，要使B能正确接收数据不产生碰撞，则需要B距离A、C的距离之差大于距离阈值d。
节点的发送时延与数据包长和发送速率有关系，其表达式如下：
Figure BDA0001227382320000052
其中，TS是发送时延，Pl是数据包长，r表示节点的发送速率。
节点的传播时延与节点间的距离和声的传播速度关系，其表达式如下：
Figure BDA0001227382320000053
其中，Tp是传播时延，D是节点之间的距离，v表示水下声传播的速度1500m/s。
如图3所示的时间点之间的关系表达式如下：
Tc＝T0+2TS+Tp (7)
Figure BDA0001227382320000054
Tc-Ta＞0 (9)
其中，Tc是节点C发送的数据包到达节点B的时间，T0是节点A和节点C的起始发送时间，d表示节点A和节点C距离节点B的距离之差的绝对值。
联立公式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)得到最小间距d如下：
Figure BDA0001227382320000061
为了避免混杂XCTS碰撞，接收节点会在发送WCTS前，按照如下公式产生修正时间：
Figure BDA0001227382320000062
其中，Tx是XCTS发送时间，Tx1,Tx2...Txn分别为接收节点的邻居节点最近产生的XCTS发送时间，R为节点最大传输半径，Tguard为保护时间。
本发明在整个通信过程中会根据数据包长和节点的网络负载情况，动态的采用不同的信道协商策略，提高网络的整体性能，并在分布式环境下有更强的适应性。

Claims (1)

1.一种动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法，其特征是：
(1)将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道，节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点；
(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包即RTS，如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)，如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包即WCTS，则开启定时器，如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输；
(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略，所述不同的信道协商策略包括：当数据包长P小于包长阈值Pf并且网络负载指数L小于Lf时，直接回复CTS通知发送节点选定的数据信道；否则，采用基于合作修正的信道协商过程，发送WCTS询问邻居节点选择的信道是否会产生碰撞，在邻居节点中回复的修正清除发送包即XCTS中选择出现频率最高的信道作为最终的数据信道，回复CTS通知发送节点；
(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用列表以及邻居信息表；当监听到WCTS时，根据WCTS中的修正节点列表判断是否有权限进行信道修正；如果具有修正权限，则根据本地可用信道列表判断WCTS中询问的信道是否会产生碰撞，如果会产生碰撞则在本地可用信道列表中选择最低的数据信道，并在WCTS中指定的时间发送XCTS；如果不具有修正权限或者不会产生碰撞，则空闲节点保持沉默；
(5)接收节点发送CTS之后，切换至数据信道等待接收数据，发送节点收到CTS或者收到WCTS并超时之后，切换至数据信道进行数据发送，接收节点正确接收完数据，向发送节点发送确认包即ACK，整个通信过程完成，超时后发送节点如果没有收到ACK，将重新发起RTS进行重传。
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