CN110691371B - 一种网状水声网络的mac调度方法 - Google Patents

一种网状水声网络的mac调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网状水声网络的MAC调度方法，包括以下步骤：遍历所有网络节点，计算各节点与其他节点可无冲突传输的最小发送时间差值，由小到大依次排列，确定为各节点调度顺序；计算各节点可行发送时间区间，保证各发送端发出的数据包在其接收端不会发生碰撞，取可行发送时间区间最小值为其发送时间；计算各节点无帧间冲突调度时长，取各节点调度时长最大值为最终调度时长，每个节点以最终调度时长为周期进行发送。本发明可实现更高的MAC调度容量，较大程度的逼近最大的MAC调度容量。

Description

一种网状水声网络的MAC调度方法
技术领域
本发明涉及水声网络的媒介接入控制(MAC)领域，特别涉及一种网状水声网络的MAC调度方法。
背景技术
地球海洋面积占据了地球总面积的71％，研究水声网络用于海洋研究及海底探测引起了世界各国的关注。水声网络目前适用于许多研究领域，例如：海洋石油开采、污染监测、海啸预警、辅助导航、生态监控等方面。媒介接入控制(MAC)作为影响水声网络性能的关键因素之一，其主要目的为协调多节点公平高效的共享媒介资源，避免传输碰撞。
水声网络的媒介接入控制与地面无线电网络不同。水声网络以声波为载体，而声波的传播速度(1500m/s)比地面电磁波的传播速度(3×108m/s)慢5个数量级，这样的信道特点使得水声网络和无线网络有以下的区别：无线网络的传播时延可以忽略，碰撞产生的唯一原因是同时传输数据，即认为不同时发送就可以避免冲突；而水声网络传播速度慢，传播时延长且不可忽略，存在发送时间早但传播时延长的数据与发送时间晚但传播时延短的数据在接收端同时到达，发生传输碰撞，使得同时发送可能不发生碰撞，不同时发送却有可能在接收端发生碰撞，即接收端是否碰撞取决于发送时间和传播时延的相互耦合，即时空耦合问题。如何基于具有时空耦合问题的水声网络实现最大MAC调度容量，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于利用时空耦合问题，提供了一种网状水声网络的MAC调度方法，实现更高的MAC调度容量，较大程度的逼近最大的MAC调度容量。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种网状水声网络的MAC调度方法，包括以下步骤：
遍历所有网络节点，计算各节点与其他节点可无冲突传输的最小发送时间差值，由小到大依次排列，确定为各节点调度顺序；
计算各节点可行发送时间区间，保证各发送端发出的数据包在其接收端不会发生碰撞，取可行发送时间区间最小值为其发送时间；
计算各节点无帧间冲突调度时长，取各节点调度时长最大值为最终调度时长，每个节点以最终调度时长为周期进行发送。
从而使节点间完成无冲突传输的时间更早，最终使得所有节点传输所需的调度时长最短。
优选的，所述无帧间冲突调度时长确定方法为：
相邻调度帧间的数据帧位置遵循接受对齐的调度策略，即上一个数据帧结束时间与下一个数据帧到达时间对齐，相邻调度帧间的非目的帧之间叠加，即实现干扰聚合，达到缩短调度时长的效果。
更进一步的，采取接收对齐与干扰聚合策略，使得各节点无帧间冲突调度时长TF的计算方法为：
Figure BDA0002196781610000021
其中，
Figure BDA0002196781610000022
为节点i的无帧间冲突调度时长，ti、tj分别为节点i、j的发送时间，j取所有其他发送节点，i'为节点i的接收节点，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度,dj,i'是节点j到节点i的接收节点之间的距离，考虑N对传输的情况，即从节点i到节点i'为一对传输，j取i时则表示一对传输从节点i到其接收节点的距离。
更进一步的，最终调度时长取各节点的最大值
Figure BDA0002196781610000031
各节点以该调度时长为周期进行发送，即每个节点i周期性发送时间为ti+TF，以确保所有节点不存在帧间冲突。
优选的，所述各节点与其他节点可无冲突传输的最小发送时间差值为
Figure BDA0002196781610000032
设置上述时间差最小值的节点其发送时间为零，记为已调度节点，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度,dj,i'是节点j到节点i的接收节点i'之间的距离，考虑N对传输的情况，即从节点i到节点i'为一对传输，j取i时则表示一对传输从节点i到其接收节点的距离；
剩余未调度节点中，再选取具有最小
Figure BDA0002196781610000033
值的一个节点为当前计算节点，以已调度节点的发送时间为基准，计算该节点的可行发送时间区间，设置可行发送时间区间的最小值为该节点的发送时间，并记为已调度节点；
逐个调度还未被调度的节点，确定每个节点的可发送时间，使得每个节点都选择其最早的可发送时间。
更进一步的，以所有已调度节点的发送时间为基准，计算各节点的可行发送时间区间的方法为:
Figure BDA0002196781610000034
其中，ti为节点i的发送时间，k为已调度节点，k'为节点k的接收节点，tk为已调度节点k的发送时间，Ti为当前节点i的可行发送时间区间，取Ti的最小值为该节点的发送时间。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于接收对齐的调度策略，提出一种调度顺序，通过选择节点调度的先后顺序，使得可以成功传输且与其他节点发送时间差最小的节点具有更高的优先级，达到减少总调度时长的效果。
2、本发明提出一种相邻调度帧内的数据帧位置遵循接受对齐的调度策略，采取这样的方法使得信道利用更为充分，有效的减少了调度时长。
3、本发明提出一种同一调度帧内的非目的帧位置遵循干扰聚合的调度策略，非目标接收节点的数据帧是可以叠加在一起，不影响目的接收节点数据帧的准确接收，这极大减少信道资源的浪费，使得调度时长得以减小。
4、本发明提出一种确定调度时长的计算方法，确保了所有节点均不存在调度帧之间的传输冲突，克服了目前已有研究工作无法避免的一大问题。
附图说明
图1为本发明实施例一种网状水声网络的MAC调度方法的流程图。
图2为本发明实施例一种网状水声网络MAC调度方法确立调度帧时长的关系图；其中图2(a)为节点首达帧与目的帧距离较近时的调度帧时长关系图，图2(b)为节点目的帧与尾达帧距离较近时的调度帧时长关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
目前已有一些研究工作注意到了水声网络的时空耦合问题，如何设计一个适用于时空耦合问题的水声网络媒介接入控制方法是亟待解决的问题。
水声通信网络的拓扑可分为两大类：中心化的网络(centralized network)和分布式网络(distributed network，也称网状网络)，水声网络MAC协议大致可以分为两种：非竞争型MAC(调度型MAC)协议和竞争型MAC协议。调度型MAC协议是基于固定分配信道的使用方式，使各节点单独使用固定的信道分配。这种使用方式包括包括TDMA(Time DivisionMultiple Access，时分多址)、FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址)、CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)以及相应改进。竞争型MAC协议是基于竞争信道的使用方式，多个节点发送数据需要采取相应的策略来竞争信道的使用权，减少接收端碰撞的概率，主要包括ALOHA，CSMA以及握手。研究表明，ALOHA未采用任何避免碰撞的方法，由于传播时延长的信道特点，在水下环境无法呈现良好的网络性能，并且Slotted-ALOHA的性能也下降到和ALOHA一样；而CSMA在水声环境中由于传播时延长的影响，无法正确监测到信道状态，冲突避免机制的用途大大降低，除非大大延长载波侦听的持续时间，但同时由于侦听时长的增长，单位时间内成功传输的数据量减少，另外CSMA还会遇到严重的隐藏终端问题；握手过程也同样占用较长的时间用于握手交互，其比例大约占整个数据传输周期的2/3，使得单位时间内接收到数据包的个数减少，降低网络吞吐量。由于以上缺点，本实施例采取调度型MAC协议的设计方法，基于时空耦合问题，提出了一种网状水声网络的MAC调度方法，实现更高的MAC调度容量，较大程度的逼近最大的MAC调度容量。
实施例
如图1所示，本实例公开了一种网状水声网络的MAC调度方法，具体步骤如下：
S1、遍历所有网络节点，设置具有最小发送时间差值
Figure BDA0002196781610000061
的节点其发送时间为零，记为已调度节点。其中，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度,dj,i'是节点j到节点i的接收节点i'之间的距离，考虑N对传输的情况，即从节点i到节点i'为一对传输，j取i时则表示一对传输从节点i到其接收节点的距离；这样的调度节点方法，使得节点间完成无冲突传输的时间更早，最终达到结果使得所有节点传输所需的调度时长最短；
S2、在剩余未调度节点中选取具有最小
Figure BDA0002196781610000062
值的一个节点作为当前计算节点，其发送时间以已调度节点的发送时间为基准，计算其可行发送时间区间，具体方法如公式：
Figure BDA0002196781610000063
其中，ti为节点i的发送时间，k为已调度节点，k'为节点k的接收节点，tk为已调度节点k的发送时间，Ti为当前节点i的可行发送时间区间，取Ti的最小值为该节点的发送时间，并记为已调度节点；
S3、对于未被调度的节点，逐个重复步骤S2，使得每个节点都确定其发送时间；
S4、计算各节点无帧间冲突调度时长，所述的调度时长计算方法为，
Figure BDA0002196781610000064
其中，
Figure BDA0002196781610000065
为节点i的无帧间冲突调度时长，ti、tj分别为节点i、j的发送时间，j取所有其他发送节点。相邻调度帧内的数据帧位置遵循接受对齐的调度策略，非目的数据帧位置可以出现叠加，即干扰聚合，既确保所有节点均不存在帧间冲突，同时缩短调度时长。为确保所有节点不存在帧间冲突，取各节点调度时长最大值为最终调度时长
Figure BDA0002196781610000071
每个节点以最终调度时长为周期进行发送，即每个节点i周期性发送时间为ti+TF。
图2为数据帧在接收节点的位置与调度帧时长的关系，用于理解如何在保证不发生帧间传输冲突的情况下确定最短的调度帧时长。
假设任意节点i在所有节点完成数据帧发送后收到了如图2所示的数据帧。首达帧是指第一个到达本节点的数据帧，目的帧是指以本节点为目的节点的数据帧，尾达帧是指最后一个到达本节点的数据帧，此处可理解为非目的帧的首达帧与尾达帧都为干扰数据帧。从图2中可得知，对于每个节点而言，当首达帧与本节点接收的目的帧距离较近时，如图2(a)所示，下一帧调度的目的帧的到达只要对齐到当前帧调度尾达帧的后面，即接收对齐的调度策略，就不会出现下一帧调度的后续到达的帧(以下简称到达帧，无论是首达帧、目的帧、尾达帧都是到达帧)对当前目的帧形成干扰，也不会出现当前帧调度的到达帧对后续的目的帧形成干扰；而当本节点接收的目的帧与尾达帧距离较近时，如图2(b)所示，则需要将下一帧调度的首达帧对齐到当前帧调度的目的帧后面即可。因此，节点i的无帧间冲突调度时长TF设置为：
Figure BDA0002196781610000072
在这个调度时长设置下，相邻调度帧内的数据帧位置遵循接受对齐的调度策略，非目的数据帧位置可以出现叠加，即干扰聚合，不但不影响目的帧的接收，确保所有节点均不存在帧间冲突，反而缩短了调度时长。在确保所有节点均不存在帧间冲突的条件下，总调度时长取各节点调度时长的最大值，即
Figure BDA0002196781610000081
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种网状水声网络的MAC调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
遍历所有网络节点，计算各节点与其他节点可无冲突传输的最小发送时间差值，由小到大依次排列，确定各节点的调度顺序；
计算各节点可行发送时间区间，保证各发送端发出的数据包在其接收端不会发生碰撞，取可行发送时间区间最小值为其发送时间；
计算各节点无帧间冲突调度时长，取各节点调度时长最大值为最终调度时长，每个节点以最终调度时长为周期进行发送；
所述无帧间冲突调度时长确定方法为：
相邻调度帧间的数据帧位置遵循接受对齐的调度策略，即上一个数据帧结束时间与下一个数据帧到达时间对齐，同时相邻调度帧内的非目的帧之间可叠加，即干扰聚合；
采取接收对齐与干扰聚合策略，使得各节点无帧间冲突调度时长TF的计算方法为：
Figure FDA0002934196430000011
其中，
Figure FDA0002934196430000012
为节点i的无帧间冲突调度时长，ti、tj分别为节点i、j的发送时间，j取所有其他发送节点，i'为节点i的接收节点，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度,dj,i'是节点j到节点i的接收节点之间的距离，考虑N对传输的情况，即从节点i到节点i'为一对传输，j取i时则表示一对传输从节点i到其接收节点的距离。
2.根据权利要求1所述的网状水声网络的MAC调度方法，其特征在于，最终调度时长取各节点的最大值
Figure FDA0002934196430000013
各节点以该调度时长为周期进行发送，即每个节点i周期性发送时间为ti+TF。
3.根据权利要求1所述的网状水声网络的MAC调度方法，其特征在于，所述各节点与其他节点可无冲突传输的最小发送时间差值为
Figure FDA0002934196430000021
设置上述时间差最小值的节点其发送时间为零，记为已调度节点，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度,dj,i'是节点j到节点i的接收节点i'之间的距离，考虑N对传输的情况，即从节点i到节点i'为一对传输，j取i时则表示一对传输从节点i到其接收节点的距离；
剩余未调度节点中，再选取具有最小
Figure FDA0002934196430000022
值的一个节点为当前计算节点，以已调度节点的发送时间为基准，计算该节点的可行发送时间区间，设置可行发送时间区间的最小值为该节点的发送时间，并记为已调度节点；
逐个调度还未被调度的节点，确定每个节点的发送时间。
4.根据权利要求3所述的网状水声网络的MAC调度方法，其特征在于，以所有已调度节点的发送时间为基准，计算各节点的可行发送时间区间的方法为:
Figure FDA0002934196430000023
其中，ti为节点i的发送时间，k为已调度节点，k'为节点k的接收节点，tk为已调度节点k的发送时间，Ti为当前节点i的可行发送时间区间，取Ti的最小值为该节点的发送时间。
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