CN110831037A - 一种基于时分多址的移动节点接入方法 - Google Patents

一种基于时分多址的移动节点接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于时分多址的移动节点接入方法，没有移动节点加入时不分配时隙，在移动节点加入网络时给移动节点分配时隙，移动节点数据发送完后删除移动节点的时隙，因此可减少没有移动节点加入时的时隙浪费。本发明由于采用移动节点动态接入的方法，可减少没有移动节点加入时的时隙浪费，使得在移动节点加入前后网络均具有较高的吞吐率。本发明的方法简单有效，开销小，操作实施简单，具有可实施性。

Description

一种基于时分多址的移动节点接入方法
技术领域
本发明涉及自组织无线传感器网络领域，尤其是一种水声传感器网络的接入方法，适合于有移动节点接入的静态水声传感器网络。
背景技术
媒体接入控制(MAC，Media Access Control)是数据链路层的一个子层，管理媒体接入，负责协调网络中所有节点高效、公平的接入信道，使众多用户之间实现公平、有效地共享有限的带宽资源。高效的媒体接入方法有利于节点在数据传输时避免数据包冲突，提高信道利用率，降低数据包的重传概率，从而减少能量浪费，延长整个网络的生命周期，对网络运行有至关重要的作用。
目前，研究人员在水声传感器网络MAC机制的研究上投入了大量的人力物力，有大量的MAC协议被提出。现有的MAC协议可分为竞争型MAC协议和竞争避免型MAC协议。竞争型MAC协议采用随机接入和信道预约的方式，在网络负载较大时极易造成冲突，导致网络的吞吐率不高。而竞争避免型MAC协议只需很少的控制开销就能实现高效且公平地共享信道，使其网络吞吐率及能量有效性都有良好的性能。时分多址接入(TDMA，Time DivisionMultiple Access)是竞争避免型MAC协议，是目前在水声传感器网络中应用较为广泛，能量效率较高的协议。
Sumi A Samad等人提出的RM-MAC(Extending the R-MAC Protocol for anEnergy Efficient)协议是通过为移动节点预留时隙实现移动节点的接入，可用于集中型网络。该方法将时帧分为基于分配的时隙和基于预留的时隙。在基于分配的时隙内，静态节点通过周期性睡眠苏醒的方式进行数据传输；在基于预留的时隙，移动节点通过与中心节点进行预约完成移动节点的数据传输。由于水声传感器网络传播时延长，移动节点与中心节点进行预约需要较长的时间使得预留的时隙很长，在没有移动节点接入水声传感器网络时造成了大量时隙浪费，导致网络的吞吐率较低。
毛佳等人提出的LTM-MAC(A location-based TDMA MAC)是通过给移动节点最高优先级，使其抢占静态节点发送时隙实现入网，适用于分布式单跳网络。该方法给每个静态节点分配的时隙包括侦听时间和数据传输时间。移动节点在进行数据传输前，需在不影响静态节点传输的情况下发送入网请求。静态节点如果在侦听时间内接收到移动节点的入网请求，该静态节点就放弃本次数据发送，使移动节点先发送数据。这种方法使得移动节点入网时延短，但在没有移动节点加入时浪费大量侦听时间，降低了网络吞吐率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于时分多址的移动节点接入方法。现有移动节点接入水声传感器网络时分多址协议，存在没有移动节点加入时时隙浪费严重的问题，导致网络的吞吐率较低。为了解决这个问题，本发明提出了一种基于时分多址的移动节点接入方法，基本思想是没有移动节点加入时不分配时隙，在移动节点加入网络时给移动节点分配时隙，移动节点数据发送完后删除移动节点的时隙，因此可减少没有移动节点加入时的时隙浪费。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
步骤1：时延检测，获取中心节点与从节点(指除中心节点外的静态节点)的传播时延；
由于网络各节点的位置信息已知，设中心节点的位置为(x,y,z)，从节点A的位置为(x1，y1，z1)，则中心节点与从节点A的传播时延Td由公式(1)计算得到：
Figure BDA0002256953840000021
其中c为水下声速，同理计算出中心节点与网络中所有从节点之间的传播时延；由于移动节点加入网络时位置信息未知，则中心节点与移动节点的传播时延取网络中的最大传播时延；
步骤2：时隙分配；
将时帧分为控制时隙与数据传输时隙，控制时隙内中心节点监听并广播控制包，控制时隙的时间长度由(2)式可得：
Tcontrol＝Tlisten+Tguard+Tcon_packet+2Tmax (2)
Tcontrol表示控制时隙的时长，Tlisten表示监听时长，Tguard表示保护间隔，Tmax表示网络中的最大传播时延，Tcon_packet表示中心节点控制包的时长；
在数据传输时隙，从节点发送数据，中心节点接收从节点的数据，根据中心节点与从节点的传播时延为从节点分配发送时序，如果传播时延TA，TB，TC，TD满足关系TA＜TB＜TC≤TD；则相应从节点发送时序为A＞-B＞-C＞-D，表示从节点发送顺序为A、B、C、D，协议开始时，假设时序信息为T，且相邻从节点间的发送时间满足式(3)：
其中t表示当前节点的开始发送时间，tpre表示上一节点发送时间，
Figure BDA0002256953840000032
表示上一相邻节点到中心节点的传播时延，Tdata表示当前节点数据传输时间，Td表示当前节点到中心节点的传播时延，Tguar为保护间隔；
中心节点接收各从节点数据的时隙长度由式(4)得出：
Tslot＝T1 data+T2 data+...+Tn data+n·Tguard (4)
Tslot表示中心节点的接收数据时隙长度，Tn data表示第n个从节点的时隙长度，n表示从节点的个数，Tguard为保护间隔；
第一个时帧周期，在控制时隙由中心节点广播控制包启动网络，各从节点接收到控制包后解析出自身的时隙信息，在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；在第二个时帧，中心节点在控制时隙内广播控制包，控制包中包含对各节点数据包的确认信息，各静态从节点接收到控制包后解析出对自身上一数据包的确认信息；在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；从第三个时帧开始，各相应节点的运行流程与第二个时帧相同，并以此一帧一帧的进行下去；
步骤3：移动节点发送入网请求
由于移动节点加入网络前，中心节点并未给移动节点安排时隙，移动节点到达网络后首先进行侦听，当侦听到中心节点发送的控制包后，解析出控制时隙信息；可由式(5)计算出移动节点发送入网请求包的时间：
其中
Figure BDA0002256953840000034
表示移动节点发送入网请求包的开始时间，
Figure BDA0002256953840000035
表示移动节点到中心节点的传播时延，tcontrol表示控制时隙的开始时间，移动节点在时，发送入网请求包；
步骤4：中心节点为移动节点分配时隙；
中心节点在控制时隙内的监听时隙接收到移动节点的入网请求包后，根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指静态节点和移动节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；
步骤5：移动节点接收到控制包后，解析出时序信息及自身的数据包发送时间，在自身的发送时间发送数据，完成入网过程；
步骤6：移动节点的所有数据发送完成后，在下一时帧移动节点的数据时隙发送移动节点退网请求包；
步骤7：中心节点收到移动节点的退网请求后，删除移动节点的时隙；根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指除中心节点外的静态节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”'及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；如果没有移动节点入网，则以后每帧各从节点按照移动节点退出后的时隙信息发送数据，以此一帧一帧运行下去；如果有移动节点入网，从步骤3开始继续运行。
本发明的有益效果在于本发明由于采用移动节点动态接入的方法，可减少没有移动节点加入时的时隙浪费，使得在移动节点加入前后网络均具有较高的吞吐率。本发明的方法简单有效，开销小，操作实施简单，具有可实施性。
附图说明
图1为本发明中心节点运行流程图。
图2为本发明从节点(静态节点)运行流程图。
图3为本发明从节点(移动节点)运行流程图。
图4为本发明仿真节点分布图。
图5为本发明移动节点加入静态网络示意图。
图6为本发明移动节点加入前后网络吞吐量随节点负载变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在水声传感器网络时分多址协议中，通常将时间划分为无数个帧，每个时帧分为许多时隙。为了减少没有移动节点加入时的时隙浪费，本方案将时帧分为控制时隙与数据传输时隙。控制时隙内中心节点进行监听并广播控制包，在数据传输时隙接收从节点的数据。在控制时隙内，中心节点如果收到移动节点的入网请求包，则给移动节点分配时隙，并将新的时隙信息搭载在中心节点的控制包上广播；否则，中心节点侦听一段时间后，广播包含数据确认信息的控制包给从节点。本发明中网络没有移动节点时，从节点指除中心节点外的静态节点；有移动节点时，指除中心节点外的静态节点和移动节点。本发明中使用的包格式有：中心节点的控制包、数据包、移动节点入网请求包、移动节点退网请求包。中心节点的控制包：包含对从节点的数据包的确认信息及各从节点的时隙信息。数据包：包含源地址、目的地址和要发送的数据。移动节点入网请求包：包含目的地址及移动节点要发送的数据量信息。移动节点退网请求包：格式与入网请求包相同，发送的数据量信息为0。
静态网络中共有n个节点，一个中心节点，其他从节点(指除中心节点外的静态节点)均在中心节点的一跳通信范围内，另有一移动节点(属于从节点)即将加入该网络，假设所有节点在布放完成后已获得时钟同步和位置信息。
步骤1：时延检测，获取中心节点与从节点(指除中心节点外的静态节点)的传播时延；
由于网络各节点的位置信息已知，设中心节点的位置为(x,y,z),从节点A的位置为(x1，y1，z1)，则中心节点与从节点A的传播时延Td由公式(1)计算得到：
Figure BDA0002256953840000051
其中c为水下声速，取1500m/s；同理计算出中心节点与网络中所有从节点之间的传播时延；由于移动节点加入网络时位置信息未知，则中心节点与移动节点的传播时延取网络中的最大传播时延；
步骤2：时隙分配；
本发明将时帧分为控制时隙与数据传输时隙，控制时隙内中心节点监听并广播控制包，控制时隙的时间长度由(2)式可得：
Tcontrol＝Tlisten+Tguard+Tcon_packet+2Tmax (2)
Tcontrol表示控制时隙的时长，Tlisten表示监听时长，Tguard表示保护间隔，Tmax表示网络中的最大传播时延，Tcon_packet表示中心节点控制包的时长；
在数据传输时隙，从节点发送数据，中心节点接收从节点的数据，根据中心节点与从节点的传播时延为从节点分配发送时序，如果传播时延TA，TB，TC，TD满足关系TA＜TB＜TC≤TD；则相应从节点发送时序为A＞-B＞-C＞-D，表示从节点发送顺序为A、B、C、D，协议开始时，假设时序信息为T，且相邻从节点间的发送时间满足式(3)：
Figure BDA0002256953840000061
其中t表示当前节点的开始发送时间，tpre表示上一节点发送时间，
Figure BDA0002256953840000062
表示上一相邻节点到中心节点的传播时延，Tdata表示当前节点数据传输时间，Td表示当前节点到中心节点的传播时延，Tguar为保护间隔；
中心节点接收各从节点数据的时隙长度由式(4)得出：
Tslot＝T1 data+T2 data+...+Tn data+n·Tguard (4)
Tslot表示中心节点的接收数据时隙长度，Tn data表示第n个从节点的时隙长度，n表示从节点的个数，Tguard为保护间隔；
第一个时帧周期，在控制时隙由中心节点广播控制包启动网络，各从节点接收到控制包后解析出自身的时隙信息，在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；在第二个时帧，中心节点在控制时隙内广播控制包，控制包中包含对各节点数据包的确认信息，各静态从节点接收到控制包后解析出对自身上一数据包的确认信息；在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；从第三个时帧开始，各相应节点的运行流程与第二个时帧相同，并以此一帧一帧的进行下去；
步骤3：移动节点发送入网请求
由于移动节点加入网络前，中心节点并未给移动节点安排时隙，移动节点到达网络后首先进行侦听，当侦听到中心节点发送的控制包后，解析出控制时隙信息；可由式(5)计算出移动节点发送入网请求包的时间：
Figure BDA0002256953840000063
其中
Figure BDA0002256953840000064
表示移动节点发送入网请求包的开始时间，
Figure BDA0002256953840000065
表示移动节点到中心节点的传播时延，tcontrol表示控制时隙的开始时间，移动节点在
Figure BDA0002256953840000066
时，发送入网请求包；
步骤4：中心节点为移动节点分配时隙；
中心节点在控制时隙内的监听时隙接收到移动节点的入网请求包后，根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指静态节点和移动节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；
步骤5：移动节点接收到控制包后，解析出时序信息及自身的数据包发送时间，在自身的发送时间发送数据，完成入网过程；
步骤6：移动节点的所有数据发送完成后，在下一时帧移动节点的数据时隙发送移动节点退网请求包；
步骤7：中心节点收到移动节点的退网请求后，删除移动节点的时隙；根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指除中心节点外的静态节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”'及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；如果没有移动节点入网，则以后每帧各从节点按照移动节点退出后的时隙信息发送数据，以此一帧一帧运行下去；如果有移动节点入网，从步骤三开始继续运行。
本实施例以四节点单跳网络，一个移动节点为例，给出相应移动节点加入静态网络方案。如图4所示，将五个节点布放在10km×10km的区域中，其中O为中心节点，A,B,C为从节点，M为移动节点。中心节点O与其余三个静态节点A、B、C之间的距离均为3公里，移动节点与O之间的距离也为3公里，数据包长度400Bytes,控制包长度200bits,通知包长度48bits,信道传输速率1024bps。假设各节点在布放于水中时已进行时钟同步且位置信息已知。
具体步骤如下：
步骤1：时延检测，获取中心节点与从节点的传播时延；网络各节点的位置信息已知，中心节点O的位置为(x,y,z),从节点A，B，C的位置分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，则中心节点O与从节点A的传播时延Td1可由(6)式计算：
则中心节点O与从节点B的传播时延Td2可由(7)式计算：
Figure BDA0002256953840000081
则中心节点O与从节点C的传播时延Td3可由(8)式计算：
中心节点O与移动节点M的传播时延Tm等于max{Td1，Td2，Td3}。
步骤2：时隙分配。本文将时帧分为控制时隙与数据传输时隙。控制时隙长度由(2)式可得，中心节点数据接收时隙长度由(4)式可得。由于中心节点O与其余三个静态节点A、B、C之间的距离均为3公里，计算得Td1，Td2，Td3相等。则可令时序信息为O>-A>-B>-C，相邻从节点间的发送时间需满足(3)式。中心节点将时隙信息通过控制包广播；各从节点接收到控制包后解析出自身的时隙信息，在各自的发送时间发送数据包；
移动节点未加入时，吞吐量可由(9)计算得到：
Figure BDA0002256953840000083
节点负载定义如(10)式：
Figure BDA0002256953840000084
其中N为网络中节点数目。没有移动节点加入时，网络的吞吐量随节点负载变化关系如图6所示。
步骤3：移动节点发送入网请求；
由于移动节点加入网络前，中心节点并未给移动节点安排时隙，移动节点到达网络后首先进行侦听，当听到中心节点发送的控制包后，解析出控制时隙信息，发送入网请求包。可由(5)式计算出移动节点发送入网请求包的时间。
步骤4：中心节点为移动节点安排数据传输时隙。中心节点在第(i+1)个时帧周期的控制时隙内接收到移动节点的入网请求包后，根据步骤二中时隙分配的方法为移动节点分配时隙。由于移动节点与O之间的距离也为3公里，可令时序信息为O>-A>-M>-B>-C；并将新的时序信息通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，更新各节点数据包发送时间；
步骤5：移动节点在申请的时隙内发送数据，完成入网过程。移动节点入网的过程如图5所示。移动节点入网后，网络的吞吐量随节点负载变化关系如图6所示；
步骤6：移动节点数据发送完成后，在下一时帧移动节点的数据时隙发送退网请求包，退网请求包格式与入网请求包相同，发送的数据量信息为0；
步骤7：中心节点收到移动节点的退网请求后，删除移动节点的时隙。根据(4)式更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(只有A,B,C)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序如O>-A>-B>-C及各自的数据发送时间通过控制包广播。各从节点接收到控制包后，更新各自的数据包发送时间。

Claims (1)

1.一种基于时分多址的移动节点接入方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：时延检测，获取中心节点与从节点(指除中心节点外的静态节点)的传播时延；
由于网络各节点的位置信息已知，设中心节点的位置为(x,y,z)，从节点A的位置为(x1，y1，z1)，则中心节点与从节点A的传播时延Td由公式(1)计算得到：
Figure FDA0002256953830000011
其中c为水下声速，同理计算出中心节点与网络中所有从节点之间的传播时延；由于移动节点加入网络时位置信息未知，则中心节点与移动节点的传播时延取网络中的最大传播时延；
步骤2：时隙分配；
将时帧分为控制时隙与数据传输时隙，控制时隙内中心节点监听并广播控制包，控制时隙的时间长度由(2)式可得：
Tcontrol＝Tlisten+Tguard+Tcon_packet+2Tmax (2)
Tcontrol表示控制时隙的时长，Tlisten表示监听时长，Tguard表示保护间隔，Tmax表示网络中的最大传播时延，Tcon_packet表示中心节点控制包的时长；
在数据传输时隙，从节点发送数据，中心节点接收从节点的数据，根据中心节点与从节点的传播时延为从节点分配发送时序，如果传播时延TA，TB，TC，TD满足关系TA＜TB＜TC≤TD；则相应从节点发送时序为A＞-B＞-C＞-D，表示从节点发送顺序为A、B、C、D，协议开始时，假设时序信息为T，且相邻从节点间的发送时间满足式(3)：
Figure FDA0002256953830000012
其中t表示当前节点的开始发送时间，tpre表示上一节点发送时间，
Figure FDA0002256953830000013
表示上一相邻节点到中心节点的传播时延，Tdata表示当前节点数据传输时间，Td表示当前节点到中心节点的传播时延，Tgua为保护间隔；
中心节点接收各从节点数据的时隙长度由式(4)得出：
Tslot＝T1 data+T2 data+...+Tn data+n·Tguard (4)
Tslot表示中心节点的接收数据时隙长度，Tn data表示第n个从节点的时隙长度，n表示从节点的个数，Tguard为保护间隔；
第一个时帧周期，在控制时隙由中心节点广播控制包启动网络，各从节点接收到控制包后解析出自身的时隙信息，在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；在第二个时帧，中心节点在控制时隙内广播控制包，控制包中包含对各节点数据包的确认信息，各静态从节点接收到控制包后解析出对自身上一数据包的确认信息；在数据传输时隙，从节点在各自的发送时间发送数据包，中心节点接收各从节点的数据包；从第三个时帧开始，各相应节点的运行流程与第二个时帧相同，并以此一帧一帧的进行下去；
步骤3：移动节点发送入网请求
由于移动节点加入网络前，中心节点并未给移动节点安排时隙，移动节点到达网络后首先进行侦听，当侦听到中心节点发送的控制包后，解析出控制时隙信息；可由式(5)计算出移动节点发送入网请求包的时间：
Figure FDA0002256953830000021
其中
Figure FDA0002256953830000022
表示移动节点发送入网请求包的开始时间，
Figure FDA0002256953830000023
表示移动节点到中心节点的传播时延，tcontrol表示控制时隙的开始时间，移动节点在
Figure FDA0002256953830000024
时，发送入网请求包；
步骤4：中心节点为移动节点分配时隙；
中心节点在控制时隙内的监听时隙接收到移动节点的入网请求包后，根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指静态节点和移动节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；
步骤5：移动节点接收到控制包后，解析出时序信息及自身的数据包发送时间，在自身的发送时间发送数据，完成入网过程；
步骤6：移动节点的所有数据发送完成后，在下一时帧移动节点的数据时隙发送移动节点退网请求包；
步骤7：中心节点收到移动节点的退网请求后，删除移动节点的时隙；根据步骤二式(4)更新接收时隙信息，利用式(3)计算出各从节点(指除中心节点外的静态节点)数据包的发送时间；并将新的数据发送时序T”'及各从节点的数据发送时间通过控制包广播；各从节点接收到控制包后，解析出各自的时隙信息，并按照新的发送时序与新的数据包发送时间发送数据；如果没有移动节点入网，则以后每帧各从节点按照移动节点退出后的时隙信息发送数据，以此一帧一帧运行下去；如果有移动节点入网，从步骤3开始继续运行。
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