CN108347788A - 基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Slotted‑FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，该方法基于水声通信网络MAC层的Slotted‑FAMA协议，利用水声通信的长传播时延，实现网络中数据的并发传输，提高水声通信网络的质量。本发明提出的利用传播时延的数据并发传输方法的优势在于基于Slotted‑FAMA握手协议，网络中的接收节点获取所有发送节点到它的传播时延并存入接收节点维护的节点时延表中，对这些传播时延处理后再存入接收节点维护的并发传输表中，接收节点根据时延表中存储的信息，安排网络中的其他发送节点无碰撞地并发传输数据，从而提高网络的吞吐量，减小网络平均时延，提高水声通信网络质量。

Description

基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法
技术领域
本发明属于水声通信领域，涉及一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法。
背景技术
在现有的水声网络Slotted-FAMA协议中，每次数据传输之前都需要经过一系列的握手，且同一时间内只有一组数据进行传输。由于水声信道的复杂性和多变性，水声通信具有长传播时延，吞吐量低等特性，节点之间的握手不仅大大降低了网络的吞吐量，同时也延长了数据传输的平均时延。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法。
由于Slotted-FAMA协议中，每次数据传输之前都需要经过一系列的握手，且同一时间内只能有一组数据进行传输；在RTS-CTS握手完成之后，表明此时接收节点可以接收数据，而水声通信网络中数据的传播时延很大，在这段时延内可能可以传输其他节点的数据，且不会与原有的数据传输产生冲突，这就可以大大提高网络的吞吐量，降低数据平均时延。本发明采取的技术方案为：基于Slotted-FAMA协议，利用水声长传播时延，由接收节点调度网络中其他节点实现一次握手，多节点无碰撞数据并发传输，从而降低网络平均时延，提高系统吞吐量；本发明方法具体包括以下步骤：
(1)在水声通信网络中的接收节点处构建每个发送节点的时延表和并发传输表；
所述时延表中存储每个发送节点的MAC地址以及发送节点到该接收节点的传播时延；
所述并发传输表中存储每个发送节点对应的满足并发传输要求的其他发送节点的MAC地址；所述并发传输要求为两个发送节点对应的传播时延之差大于数据包DATA的传输时长；
(2)基于Slotted-FAMA协议的并发传输，具体如下；
(2.1)发送节点发送RTS包给接收节点，接收节点接收到RTS包后，获取发送节点的MAC地址；接收节点根据发送节点的MAC地址，在并发传输表中查找此MAC地址对应的节点在传输数据时满足并发传输条件的一个其他发送节点(也称为并发传输节点)，将这个并发传输节点的MAC地址嵌入到CTS包中，等到下一个时隙开始时将CTS包发送出去；
(2.2)发送节点接收到CTS包后，等到下一个时隙开始时发送DATA数据包给接收节点；而网络中的其他发送节点接收到CTS包后，查看CTS中嵌入的并发传输MAC地址是否与本节点的MAC地址一致，如果不一致，则节点进入退避状态；如果一致，则表明此节点为并发传输节点，此节点在握手发送节点(与接收节点进行RTS-CTS握手的节点)发送完DATA包之后也开始并发传输DATA，在避免与握手发送节点碰撞的同时，利用这部分传播时延，提高网络吞吐量；
(2.3)接收节点依次接收来自并发传输节点的DATA以及来自握手发送节点的DATA；如果来自握手发送节点的DATA数据被成功接收，则接收节点在下一个时隙开始时发送ACK包给发送节点；否则，发送NACK包；在ACK和NACK包中嵌入来自并发传输节点的DATA数据包是否被成功接收的标志位；如果来自并发传输节点的DATA数据包被接收节点成功接收，则标志位为1；否则，标志位为0，该来自并发传输节点的DATA数据包等待下一次并发重传。
进一步地，所述步骤(1)中，所述时延表的具体构建方法如下：
(1.1)水声通信网络中的所有发送节点首先发送一个短信息帧SF给接收节点，其中SF短帧中包含了SF短帧的发送时刻；
(1.2)接收节点接收到来自发送节点的SF短帧后，用SF短帧当前的接收时刻减去发送时刻，即可得到发送节点到接收节点之间的传播时延，将每个发送节点的MAC地址以及相应的传播时延存入接收节点的时延表中。
进一步地，所述步骤(1)中，所述并发传输表的具体构建方法如下：
将接收节点时延表中某个发送节点对应的传播时延delay1与其他发送节点对应的传播时延依次两两比较，如果该发送节点对应的传播时延delay1与另一个发送节点对应的传播时延delay2之差大于数据包DATA的传输时长data_length，即：delay1-delay2>data_length，则表示delay2对应的发送节点满足并发传输的要求，将delay2对应的发送节点的MAC地址存入delay1对应的发送节点的并发传输表中，从而接收节点能够得到所有的发送节点传输数据时对应的满足并发传输条件的其他发送节点。
进一步地，所述水声通信网络包含一个接收节点和多个发送节点，且网络中所有的节点都处于互相通信范围之内。
本发明的有益效果是：本发明基于Slotted-FAMA协议，利用水声长传播时延，由接收节点调度网络中其他节点实现一次握手，多节点无碰撞数据并发传输，从而降低网络平均时延，提高系统吞吐量，实现低时延、高吞吐量的水声通信网络。
附图说明
图1是Slotted-FAMA协议时序流程图；
图2是基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的并发传输方法时序流程图；
图3是网络拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。
图1所示的水声通信网络Slotted-FAMA协议时序流程图。Slotted-FAMA协议的主要内容为：当节点有数据要发送时，它将等到下一个时隙的开始时刻发送一个RTS包。接收节点0接收到来自发送节点1的RTS包后，在下一个时隙开始时刻回复一个CTS包给发送节点，而其他节点接收到此RTS包(也称xRTS)后，退避两个时隙长度。发送节点1接收到来自接收节点0的CTS(也称xCTS)包后，在下一个时隙开始时刻发送DATA数据包给接收节点0，而其他节点接收到此CTS后开始进入退避状态直到此轮数据传输完成为止。接收节点0接收到来自发送节点1的DATA数据包后，判断此数据包是否成功被接收，如果成功接收，则回复ACK包给发送节点1；否则，回复NACK。
而由于水声通信长时延的特性，在Slotted-FAMA协议中，节点0与节点1之间的来回握手需要耗费很长的时间，且网络中同一时刻只能有一个节点在发送数据，其他节点需要退避很长一段时间，这大大降低了水声通信网络的吞吐量。本发明中提出一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，该方法基于Slotted-FAMA协议，充分利用水声传播时延，实现多个节点数据的并发传输，提高了信道利用率，减小了网络平均时延，提高了水声通信网络的质量。
本发明中使用的网络拓扑如图3所示，包含一个接收节点，多个发送节点，且网络中所有的节点都处于互相通信范围之内。图2是基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的并发传输方法时序流程图，在第一轮通信中，网络中所有的发送节点发送一个短帧SF给接收节点，其中SF短帧中包含了SF的发送时刻，接收节点接收到短帧SF后，可以得到每个发送节点到其的传播时延。得到的传播时延以及该时延对应的发送节点的MAC地址存入接收节点的时延表中，时延表如表1所示。在接收节点处，比较时延表中的所有传播时延的大小，如果两时延的差值大于DATA数据包的传输时延(即DATA数据包的长度)，则这两个时延对应MAC地址的节点满足无碰撞并发传输的条件，可以在同一时隙内发送数据，将并发传输的节点存入并发传输表中，完成第一轮通信。具体解释如下：
表1所示的时延表，发送节点n对应的到接收节点的传播时延为Delayn(其中n便是节点编号)，例如，如果delay1>delay2+DATA_length，那么delay1对应的发送节点1在发送DATA数据包的同时，delay2对应的发送节点2能利用delay1这段传播时延发送DATA(便于区别于来自握手节点的DATA，此处将来自并发传输节点的DATA命名为OTHERDATA)。此时，将delay2对应节点的MAC地址存入并发传输表中delay1节点对应的节点行列。同理，对于其他的发送节点也是如此计算，最终在接收节点处得到如表2所示的并发传输表。
表1接收节点的时延表
发送节点 MAC地址 传播时延
发送节点1 XX-XX-XX-XX-XX-XX Delav1
发送节点2 XX-XX-XX-XX-XX-XX Delay2
发送节点3 XX-XX-XX-XX-XX-XX Delay3
发送节点4 XX-XX-XX-XX-XX-XX Delay4
发送节点5 XX-XX-XX-XX-XX-XX Delay5
表2并发传输表
发送节点 MAC地址 并发传输节点
发送节点1 XX-XX-XX-XX-XX-XX 节点2：MAC；节点4：MAC
发送节点2 XX-XX-XX-XX-XX-XX 节点1：MAC；节点3：MAC；节点4：MAC
发送节点3 XX-XX-XX-XX-XX-XX 节点1：MAC；节点4：MAC
发送节点4 XX-XX-XX-XX-XX-XX 节点1：MAC；节点5：MAC
发送节点5 XX-XX-XX-XX-XX-XX 节点1：MAC；节点2：MAC；节点3：MAC
第二轮通信从RTS-CTS握手开始，如图2所示。当节点有数据发送时，先给接收节点发送RTS包，接收节点收到RTS包后，得到发送节点的MAC地址。这时，在并发传输表的第一列查找具有相同MAC地址的节点，找到后再从该节点对应的并发传输节点(并发传输表中的第三列)中随机选出一个节点作为并发传输节点与该握手的发送节点一起发送DATA数据包。将随机选出的并发节点MAC地址嵌入到CTS包中，由接收节点发送出去。发送节点接收到CTS包后，在下一个时隙开始时刻发送DATA数据包，而并发节点接收到CTS包后，由于其MAC地址与CTS包中嵌入的并发传输的MAC地址一致，所以会在下一个时隙开始后再等待DATA数据包时长，发送OTHREDATA给相同的接收节点。此时，由于发送节点到接收节点的传播时延大于并发节点到接收节点的传播时延加上OTHERDATA数据包长度，因此并发节点发送的OTHERDATA既不与发送节点发送的DATA包冲突，也不与接收节点接收的DATA包冲突。同时，网络中的其他节点收到CTS包后，由于其MAC地址与CTS包中嵌入的并发传输的MAC地址不一致，会进入退避状态直到本次传输完成。接收节点先后接收到来自并发节点和发送节点的DATA包后，在下一时隙开始时刻发送ACK或NACK包，以告知发送节点DATA包书否成功被接收。然而并发节点不能判定发送出去的OTHERDATA是否被接收节点成功接收。因此本发明中，在ACK包和NACK包中引入一个用于判断OTHERDATA是否成功接收的标志位，那么当并发节点接收到ACK或NACK时，也能判断OTHERDATA是否被成功接收。若OTHERDATA被成功接收，则准备下一次传输；若没有被成功接收，则保存OTHERDATA等待下一次重传。
本发明提出的基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，通过一个节点握手，利用水声通信长时延，实现多个节点无碰撞的并发传输。此并发传输方法在避免碰撞的同时，充分利用了数据包的传播时延，有效降低了系统平均时延，同时也提高了系统的吞吐量。

Claims (5)

1.一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在水声通信网络中的接收节点处构建每个发送节点的时延表和并发传输表；
所述时延表中存储每个发送节点的MAC地址以及发送节点到该接收节点的传播时延；
所述并发传输表中存储每个发送节点对应的满足并发传输要求的其他发送节点的MAC地址；所述并发传输要求为两个发送节点对应的传播时延之差大于数据包DATA的传输时长；
(2)基于Slotted-FAMA协议的并发传输，具体如下；
(2.1)发送节点发送RTS包给接收节点，接收节点接收到RTS包后，获取发送节点的MAC地址；接收节点根据发送节点的MAC地址，在并发传输表中查找此MAC地址对应的节点在传输数据时满足并发传输条件的一个并发传输节点，将这个并发传输节点的MAC地址嵌入到CTS包中，等到下一个时隙开始时将CTS包发送出去；
(2.2)发送节点接收到CTS包后，等到下一个时隙开始时发送DATA数据包给接收节点；而网络中的其他发送节点接收到CTS包后，查看CTS中嵌入的并发传输MAC地址是否与本节点的MAC地址一致，如果不一致，则节点进入退避状态；如果一致，则表明此节点为并发传输节点，此节点在握手发送节点发送完DATA包之后也开始并发传输DATA，在避免与握手发送节点碰撞的同时，利用这部分传播时延，提高网络吞吐量；
(2.3)接收节点依次接收来自并发传输节点的DATA以及来自握手发送节点的DATA；如果来自握手发送节点的DATA数据被成功接收，则接收节点在下一个时隙开始时发送ACK包给发送节点；否则，发送NACK包；在ACK和NACK包中嵌入来自并发传输节点的DATA数据包是否被成功接收的标志位，如果未被接收节点成功接收，则该来自并发传输节点的DATA数据包等待下一次并发重传。
2.根据权利要求1所述的一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述时延表的具体构建方法如下：
(1.1)水声通信网络中的所有发送节点首先发送一个短信息帧SF给接收节点，其中SF短帧中包含了SF短帧的发送时刻；
(1.2)接收节点接收到来自发送节点的SF短帧后，用SF短帧当前的接收时刻减去发送时刻，即可得到发送节点到接收节点之间的传播时延，将每个发送节点的MAC地址以及相应的传播时延存入接收节点的时延表中。
3.根据权利要求1所述的一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述并发传输表的具体构建方法如下：
将接收节点时延表中某个发送节点对应的传播时延delay1与其他发送节点对应的传播时延依次两两比较，如果该发送节点对应的传播时延delay1与另一个发送节点对应的传播时延delay2之差大于数据包DATA的传输时长data_length，即：delay1-delay2>data_length，则表示delay2对应的发送节点满足并发传输的要求，将delay2对应的发送节点的MAC地址存入delay1对应的发送节点的并发传输表中，从而接收节点能够得到所有的发送节点传输数据时对应的满足并发传输条件的其他发送节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，其特征在于，所述水声通信网络包含一个接收节点和多个发送节点，且网络中所有的节点都处于互相通信范围之内。
5.根据权利要求1所述的一种基于Slotted-FAMA协议利用传播时延的数据并发传输方法，其特征在于，该方法基于水声通信网络MAC层的Slotted-FAMA握手协议，利用水声长传播时延，由接收节点调度水声通信网络中其他节点实现一次握手，多节点无碰撞数据并发传输，从而降低网络平均时延，提高系统吞吐量。
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