CN109951872A - 一种基于无线光通信的混合mac协议优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，包括S1、Sink节点对其他节点进行指令唤醒，所述其他节点在一个随机时间醒来，并开始进行竞选簇首和抢占时隙；S2、进入下行传输阶段，进行节点间的相对定位和簇首更新任务，且每个奇数轮均完成下行指令的传输和更新簇首的任务；S3、进入上行阶段，基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化。本发明基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化，提高了组网的时隙利用率。

Description

一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法

技术领域

本发明属于通信的技术领域，具体涉及一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法。

背景技术

现有的在MAC协议上解决光通信网络中容迟状态的方法较少，一些集中于水下声学通信网络中的容迟MAC常用的两种方法，一种是以数据重传来提高时隙利用率，但这种方式的实质是以能耗上的降低去换取时隙利用率的提高，这对于布置在水下、更换补给能量困难的网络来说并不是一种较实用的方法；另一种是通过在网络中加入AUV的方式来均衡网络能耗，该方法主要用于减少由于节点能耗不均衡带来的容迟，但是由于AUV成本较高，且即使用于光通信组网中仍存在由于对准困难带来的容迟现象，因此上述两种方法并不特别实用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，以解决或改善上述问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其包括：

S1、Sink节点对其他节点进行指令唤醒，所述其他节点在一个随机时间醒来，并开始进行竞选簇首和抢占时隙；

S2、进入下行传输阶段，进行节点间的相对定位和簇首更新任务，且每个奇数轮均完成下行指令的传输和更新簇首的任务；

S3、进入上行阶段，基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化。

优选地，步骤S1中竞选簇首和抢占时隙的方法为：

各个节点依据分簇算法竞选簇首，若当节点A、节点C、节点E当选为簇首节点，节点B、节点D和节点F则自动定性为非簇首节点；

簇间的时隙竞争主要是在固定TDMA时隙背景下进行的，各个簇首节点依据CSMA/CA协议竞争时隙的先后顺序，簇首节点向通信范围内的节点广播预约帧，若出现抢占“冲突”，则采用冲突随机退避机制，使节点随机退避，消除“冲突”的影响；

采用融合空间复用的理念和吞吐率约束的条件，将适量、距离较远的节点使用同一时隙，距离较近的节点使用不同的时隙加以区分。

优选地，步骤S2中竞选簇首和抢占时隙的方法为：

T1、第1轮及每间隔10轮完成下行指令传输、相对定位任务，其它轮则不进行相对定位任务；在第一个时隙，Sink节点对其通信范围内的节点广播指令和信息帧；若第二个时隙，由距离较远的簇首节点A和簇首节点E进行复用，则簇首节点A和簇首节点E同时开始向全网节点广播指令和信息帧，直至第M个簇首节点完成广播指令和信息帧；

T2、簇首节点根据能耗模型对自身能量进行计算，当其能量低于门限值时向周围广播“簇首更替”消息帧，待其下一轮上行时隙到来，节点周围非簇首节点向其发送自身能量、位置信息，原簇首节点经过计算指定新簇首，并在下行时隙到来时广播其所指定的新簇首的信息，新簇首接替原簇首时隙的顺序。

优选地，步骤T1中相对定位的方法为：

当簇首节点A收到来自簇首节点E的数据包时，通过解析数据包获得A的身份信息，同时通过非测距定位算法测得与簇首节点A之间的相对距离；当非簇首节点收到来自簇首节点A/E的数据包时，同样通过非测距定位算法对簇首节点进行相对定位获得与簇首节点A/E的相对位置关系。

优选地，步骤T1中下行指令传输的方法为：

上端节点将封装好的指令进行广播后，在其通信范围内的簇首节点接收并解封装，比对自身建立的路由表，若目标节点的ID在此路由表中，则对指令帧进行添加自身ID信息、时间戳再封装，同时等待在自己的下行时隙向周围节点广播，转发后丢弃该指令帧腾出内存空间；若目标节点ID不在此路由表中，则直接丢弃此指令帧；

其他节点收到此指令帧后，进行同样的操作，直至目标节点收到指令帧，并对其进行解析比对ID，相同则执行指令信息；若目标节点多次收到相同指令内容的指令帧，则依据时间戳的先后顺序进行抉择；

第三轮及后续奇数轮，每轮内完成指令传输、更新维护簇首的任务，奇数轮内每十轮完成周期性定位的任务。

优选地，步骤S3还包括动态成簇与数据采集阶段，动态成簇与数据采集阶段具体步骤包括：

A1、有传输需求的非簇首节点将前几轮中相对定位的簇首节点的距离信息进行比较，选择距离自己较近的簇首作为本轮的簇首；与簇首建立连接完成入簇，通过WDM/OCDMA形式向簇首节点传输采集到的数据；簇首节点收到距离其较近的非簇首节点采集的数据自动临时成簇；

A2、当前簇首节点判断是否进行数据上传，上传需求包含本轮簇内非簇首节点发来的信息或上轮尚未上传完的信息。

优选地，步骤A2中具体包括：

A21、若进行数据上传，则根据时隙长度进行数据包传输安排，当需要多次传输时，则对数据包进行标记；

根据链路质量评估算法评估当前的簇首节点与其历史路由表中簇首节点所建立的链路质量，再与链路质量门限值进行比较，若此条链路的评估值高于门限值，则比较下一跳节点的上传延迟与信息紧急程度；

若当前的簇首节点与其下一跳簇首节点所建立的链路质量低于门限值，则转让当前时隙；

若延迟值在簇首节点的可接受范围之内，则建立光通信链路进行数据上传；

若延迟值超出簇首节点的可接受范围，则再选择周围的其他簇首节点进行链路质量评估及容迟度比较；

A22、若当前簇首节点没有数据进行上传，则向周围簇首节点广播“转让时隙帧”转让当前时隙；

当前有数据上传需求、且能够建立较高通信链路质量的簇首节点进行时隙竞争，若出现冲突，则采用随机退避算法解决冲突，使簇首节点j在此时隙内进行数据上传，传输完成后进入下一轮；

若没有满足要求的簇首节点进行竞争，则直接进入下一轮。

本发明提供的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，具有以下有益效果：

本发明基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化，提高组网的时隙利用率；使节点在固定TDMA的背景下，采用CSMA/CA进行竞争时隙，同时考虑并解决了实际环境中可能会出现的竞争冲突问题。此外，还采用空分复用的设计理念，使相距较远的簇首节点在相同的时隙内进行信息传输而不会产生干扰，提高时隙的利用率。簇首节点间通过LD进行点对点通信，簇首节点和非簇首节点通过LED，在簇内进行WDM/OCDMA通信。

附图说明

图1为基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法的流程图。

图2为基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法选举簇首及时隙竞争流程图。

图3为基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法(奇数轮内)下行传输流程图。

图4为基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法(偶数轮)上行传输流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，包括：

S1、Sink节点对其他节点进行指令唤醒，所述其他节点在一个随机时间醒来，并开始进行竞选簇首和抢占时隙；

S2、进入下行传输阶段，进行节点间的相对定位和簇首更新任务，且每个奇数轮均完成下行指令的传输和更新簇首的任务；

S3、进入上行阶段，基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化。

以下对上述三个步骤进行详细描述：

本发明涉及到的MAC协议有TDMA、CSMA/CA、WDM/OCDMA、空间复用；主要包含三个阶段的时隙设计：选举簇首与竞争时隙阶段、下行(奇数轮)阶段和上行(偶数轮)阶段。

步骤S1，在将节点抛洒在待监测区域一段时间后，所有节点距离较近，且处于休眠状态。然后Sink节点对其他节点进行指令唤醒，节点在一个随机时间醒来，然后开始进行竞选簇首和抢占时隙。

参考图2，竞选簇首和抢占时隙

各个节点依据分簇算法竞选簇首，若当节点A、节点C、节点E当选为簇首节点，节点B、节点D、节点F则自动定性为非簇首节点。

簇间的时隙竞争主要是在固定TDMA时隙背景下进行的，各个簇首节点依据CSMA/CA协议来竞争时隙的先后顺序，簇首节点向通信范围内的节点广播预约帧，若出现抢占“冲突”，则采用冲突随机退避机制，使节点随机退避，消除“冲突”的影响，合理地进行簇间时隙分配。

采用融合空间复用的理念和吞吐率约束的条件，将适量、距离较远的节点使用同一时隙，距离较近的节点使用不同的时隙加以区分。

结束。

步骤S2、下行(奇数轮)传输阶段

参考图3，初始化阶段结束后，开始进入下行(奇数轮)传输阶段，奇数轮主要完成节点间的相对定位、簇首更新的任务，在每个奇数轮均完成下行指令的传输和更新簇首的功能，为了实现节能仅在第1轮及其后每隔10轮进行一次节点间的相对定位。在奇数轮中，簇首节点在其时隙内通过LED将指令和信息进行全网广播，其通信范围内的接收节点(可为其他簇首节点、非簇首节点)可根据非测距算法完成对其的相对定位。

相对定位与更新阶段

T1、第1轮及每间隔10轮完成下行指令传输、相对定位任务，其他轮则不进行相对定位任务，以节省节点的能量。

在第一个时隙，Sink节点对其通信范围内的节点广播指令和信息帧，包含其自身ID、能量、时隙序数、时隙长度；若第二个时隙，由簇首节点A和簇首节点E(A、E距离较远)进行复用，那么簇首节点A和簇首节点E同时开始向全网节点广播指令和信息帧，同样包含其自身ID、能量、时隙序数、时隙长度；直至第M个簇首节点完成广播指令和信息帧。

T11、相对定位的方法为：

当簇首节点A收到来自簇首节点E的数据包时，通过解析数据包获得A的身份信息，同时通过非测距定位算法测得与簇首节点A之间的相对距离；当非簇首节点收到来自簇首节点A/E的数据包时，同样通过非测距定位算法对簇首节点进行相对定位获得与簇首节点A/E的相对位置关系。

T22、下行指令传输的方法为：

上端节点将封装好的指令进行广播后，在其通信范围内的簇首节点接收并解封装，比对自身建立的路由表，若目标节点的ID在此路由表中，则对指令帧进行添加自身ID信息、时间戳再封装，同时等待在自己的下行时隙向周围节点广播，转发后丢弃该指令帧腾出内存空间；若目标节点ID不在此路由表中，则直接丢弃此指令帧；

其他节点收到此指令帧后，进行同样的操作，直至目标节点收到指令帧，并对其进行解析比对ID，相同则执行指令信息；若目标节点多次收到相同指令内容的指令帧，则依据时间戳的先后顺序进行抉择；

第三轮及后续奇数轮，每轮内完成指令传输、更新维护簇首的任务，奇数轮内每十轮完成周期性定位的任务。

T2、簇首节点根据能耗模型对自身能量进行计算，当其能量低于门限值时向周围广播“簇首更替”消息帧，待其下一轮上行时隙到来，节点周围非簇首节点向其发送自身能量、位置信息，原簇首节点经过计算指定新簇首，并在下行时隙到来时广播其所指定的新簇首的信息，新簇首接替原簇首时隙的顺序。

结束。

步骤S3、上行(偶数轮)阶段

下行传输结束后，非簇首节点采用LED传输以WDM/OCDMA的方式单跳向自己选择的当前轮的簇首节点，并向簇首节点传输采集的ID、时间戳、相对位置、数据信息后自动入簇，接收信息后簇首节点在自己的上行时隙到来时，采用LD传输并以单跳或多跳的形式将数据上传至海面基站，但此时由于光链路之间对准短时间困难、光链路频繁的时断时续等状况的出现为簇首节点间的点对点传输带来的容迟问题，为消除容迟状态对时隙和能量的浪费，遂提出基于链路质量评估的时隙转让机制解决这一问题。

参考图4，其包括动态成簇与数据采集阶段，

A1、有传输需求的非簇首节点将前几轮中相对定位的簇首节点的距离信息进行比较，选择距离自己较近的簇首作为本轮的簇首；与簇首建立连接完成入簇，通过WDM/OCDMA形式向簇首节点传输采集到的数据；簇首节点收到距离其较近的非簇首节点采集的数据自动临时成簇。

A2、当前簇首节点判断是否进行数据上传，上传需求包含本轮簇内非簇首节点发来的信息或上轮尚未上传完的信息。

在步骤A2中还包括：

A21、若需要进行数据上传，在数据包上需要进行的操作：根据时隙长度进行数据包传输安排，当需要多次传输时，则对数据包进行标记，以便下一轮上行时隙内进行链路建立需求判断是否继续进行传输；

然后，根据链路质量评估算法评估当前的簇首节点与其历史路由表中簇首节点所建立的链路质量，再与链路质量门限值进行比较，若此条链路的评估值高于门限值，则比较下一跳节点的上传延迟与信息紧急程度(容忍延迟的最大值)；

若当前的簇首节点与其下一跳簇首节点所建立的链路质量低于门限值，则转让当前时隙；

若延迟值在簇首节点的可接受范围之内，则建立光通信链路进行数据上传；

若延迟值超出簇首节点的可接受范围，则再选择周围的其他簇首节点进行链路质量评估及容迟度比较；

A22、若当前簇首节点没有数据进行上传，则向周围簇首节点广播“转让时隙帧”转让当前时隙；

周围有数据上传需求、且能够建立较高通信链路质量的簇首节点进行时隙竞争，若出现冲突，则采用随机退避算法解决冲突，使簇首节点j(0＜j≤m，m表示簇首节点的个数，j∈N)在此时隙内进行数据上传，传输完成后进入下一轮；

若没有满足要求的簇首节点进行竞争，则直接进入下一轮。

结束。

本发明解决了光通信网络中的由于节点间对准困难带来的容迟状态，不仅降低了网络的时隙利用率、数据传输的实时性和能耗效率，更直观地来说网络中的容迟状态的解决决定着网络的实际应用意义和应用价值，比如：海洋动态环境使水下节点间点对点通信对准困难、时断时续，因此进行容迟网络中的时隙优化，可大大提高组网的时隙利用率。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，包括：

S1、Sink节点对其他节点进行指令唤醒，所述其他节点在一个随机时间醒来，并开始进行竞选簇首和抢占时隙；

S2、进入下行传输阶段，进行节点间的相对定位和簇首更新任务，且每个奇数轮均完成下行指令的传输和更新簇首的任务；

S3、进入上行阶段，基于链路质量评估的时隙转让机制，进行容迟网络中的时隙优化。

2.根据权利要求1所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中竞选簇首和抢占时隙的方法为：

各个节点依据分簇算法竞选簇首，若当节点A、节点C、节点E当选为簇首节点，节点B、节点D和节点F则自动定性为非簇首节点；

簇间的时隙竞争主要是在固定TDMA时隙背景下进行的，各个簇首节点依据CSMA/CA协议竞争时隙的先后顺序，簇首节点向通信范围内的节点广播预约帧，若出现抢占“冲突”，则采用冲突随机退避机制，使节点随机退避，消除“冲突”的影响；

采用融合空间复用的理念和吞吐率约束的条件，将适量、距离较远的节点使用同一时隙，距离较近的节点使用不同的时隙加以区分。

3.根据权利要求1所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中竞选簇首和抢占时隙的方法为：

T1、第1轮及每间隔10轮完成下行指令传输、相对定位任务，其它轮则不进行相对定位任务；在第一个时隙，Sink节点对其通信范围内的节点广播指令和信息帧；若第二个时隙，由距离较远的簇首节点A和簇首节点E进行复用，则簇首节点A和簇首节点E同时开始向全网节点广播指令和信息帧，直至第M个簇首节点完成广播指令和信息帧；

T2、簇首节点根据能耗模型对自身能量进行计算，当其能量低于门限值时向周围广播“簇首更替”消息帧，待其下一轮上行时隙到来，节点周围非簇首节点向其发送自身能量、位置信息，原簇首节点经过计算指定新簇首，并在下行时隙到来时广播其所指定的新簇首的信息，新簇首接替原簇首时隙的顺序。

4.根据权利要求3所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤T1中相对定位的方法为：

当簇首节点A收到来自簇首节点E的数据包时，通过解析数据包获得A的身份信息，同时通过非测距定位算法测得与簇首节点A之间的相对距离；当非簇首节点收到来自簇首节点A/E的数据包时，同样通过非测距定位算法对簇首节点进行相对定位获得与簇首节点A/E的相对位置关系。

5.根据权利要求3所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤T1中下行指令传输的方法为：

上端节点将封装好的指令进行广播后，在其通信范围内的簇首节点接收并解封装，比对自身建立的路由表，若目标节点的ID在此路由表中，则对指令帧进行添加自身ID信息、时间戳再封装，同时等待在自己的下行时隙向周围节点广播，转发后丢弃该指令帧腾出内存空间；若目标节点ID不在此路由表中，则直接丢弃此指令帧；

其他节点收到此指令帧后，进行同样的操作，直至目标节点收到指令帧，并对其进行解析比对ID，相同则执行指令信息；若目标节点多次收到相同指令内容的指令帧，则依据时间戳的先后顺序进行抉择；

第三轮及后续奇数轮，每轮内完成指令传输、更新维护簇首的任务，奇数轮内每十轮完成周期性定位的任务。

6.根据权利要求1所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3还包括动态成簇与数据采集阶段，动态成簇与数据采集阶段具体步骤包括：

A1、有传输需求的非簇首节点将前几轮中相对定位的簇首节点的距离信息进行比较，选择距离自己较近的簇首作为本轮的簇首；与簇首建立连接完成入簇，通过WDM/OCDMA形式向簇首节点传输采集到的数据；簇首节点收到距离其较近的非簇首节点采集的数据自动临时成簇；

A2、当前簇首节点判断是否进行数据上传，上传需求包含本轮簇内非簇首节点发来的信息或上轮尚未上传完的信息。

7.根据权利要求6所述的基于无线光通信的混合MAC协议优化设计方法，其特征在于，所述步骤A2中具体包括：

A21、若进行数据上传，则根据时隙长度进行数据包传输安排，当需要多次传输时，则对数据包进行标记；

根据链路质量评估算法评估当前的簇首节点与其历史路由表中簇首节点所建立的链路质量，再与链路质量门限值进行比较，若此条链路的评估值高于门限值，则比较下一跳节点的上传延迟与信息紧急程度；

若当前的簇首节点与其下一跳簇首节点所建立的链路质量低于门限值，则转让当前时隙；

若延迟值在簇首节点的可接受范围之内，则建立光通信链路进行数据上传；

若延迟值超出簇首节点的可接受范围，则再选择周围的其他簇首节点进行链路质量评估及容迟度比较；

A22、若当前簇首节点没有数据进行上传，则向周围簇首节点广播“转让时隙帧”转让当前时隙；

当前有数据上传需求、且能够建立较高通信链路质量的簇首节点进行时隙竞争，若出现冲突，则采用随机退避算法解决冲突，使簇首节点j在此时隙内进行数据上传，传输完成后进入下一轮；

若没有满足要求的簇首节点进行竞争，则直接进入下一轮。