CN110943861A - 一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法。该方法可分为信道竞争过程和传输规划过程。信道竞争过程主要是多个水声节点基于改进的RTS/CTS握手协议竞争信道，避免在传输数据过程中与其它节点发生传输冲突，同时实现互为暴露终端的节点并发传输数据。数据传输规划过程则是当多个发送节点向一个接收节点发送数据时，接收节点规划发送节点何时发送数据，避免传输冲突，提高信道利用率。该方法旨在通过改进后的RTS/CTS握手协议、修改后的退避算法和传输规划算法，在避免传输冲突的同时尽可能的提高网络吞吐量。EXata网络仿真环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。

Description

一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法

技术领域

本发明属于水声传感器网络领域，特别涉及适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法。

背景技术

水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Network，UASN)是一种水下声波作为传输介质的无线传感器网络。它是由布放在海里的水下声学传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向水声链路组成的，并能将信息通过水声传感器节点以电磁波信号回传到船基或陆基信息控制中心的网络。水声传感器网络在海洋环境监测、资源勘探、灾难预警、军事侦察和国家安全等方面有着重要的意义。近年来，已成为各个相关机构的水下通信科研重点。然而不同于无线电信道，水声信道具有带宽窄、传输速率低、误码率高、以及多普勒频移和多径效应严重的特性。特别是声音在水中的传播速度仅为1500m/s，比电磁波在无线电信道的传播速度低5个量级，这使得水声信道有难以忽略的高时延。此外，水声信道的带宽也只有无线电信道的千分之一。因此，现有无线网络信道访问控制(Medium AccessControl，MAC)协议不能直接应用在水声信道，否则高时延会严重降低水声传感器网络的性能。

Slotted FAMA(Floor acquisition multiple access)协议是一种基于水声信道特性设计的MAC协议。它在FAMA协议的基础上引入同步时隙机制，并要求数据只在时隙的开始时刻发送，同时设置时隙长度为CTS(Clear To send)控制帧的长度加最大传播时延，这保证传输范围内的节点在一个时隙内都可以接收到RTS/CTS控制帧。其基本的工作方式如下所述：当一个节点准备进入发送状态前，先通过载波检测的方式判断信道状态。若信道空闲，则该节点在下一个时隙开始时刻发送RTS(Request To Send)控制帧。如果在两个时隙内完成RTS/CTS控制帧握手，则节点在握手完成后的下一个时隙开始时刻发送数据，否则节点会随机退避几个时隙，然后重传数据。当检测到信道忙时，节点会进入接收状态，通过接收的数据帧类型决定节点的操作。

类型1：当接收到目的节点为其它节点的RTS控制帧时，节点等待两个时隙。若在这两个时隙之后，没有载波被检测到，节点回到空闲状态。

类型2：当接收到目的节点为其它节点的CTS控制帧时，节点必须等待当前传输完成，避免与当前传输冲突。

类型3：当接收到一个ACK(Acknowledge Character)帧时，数据已成功传输，节点无需等待额外的时隙。

类型4：当接收到一个NACK(Negative-Acknowledge Character)帧时，数据传输失败，节点必须等待足够长的时间，直到成功接收ACK帧或达到重传次数上限。

类型5：当接收到目的节点为其它节点的数据帧时，在当前数据帧传输完成后，节点必须再等待一个时隙接收应答帧，根据应答帧的类型，判断数据是否需要重传。

类型6：当检测到传输冲突时，节点必须等待足够长的时间，直到信道空闲。

对于现有竞争类MAC协议，节点可能会因为高时延而不能及时接收到RTS/CTS控制帧，从而导致传输冲突。然而Slotted FAMA协议通过限制节点只能在两个同步时隙内完成RTS/CTS控制帧握手，有效地解决了这个问题。但这引入了一个新的问题，即较长的时隙导致Slotted FAMA协议有较低的信道利用率。另一方面，因为水声传感器网络利用声波传递信息，所以水声节点不能直接接入外部网络。因此水声传感器网络需要一个可以通过声波和电磁波传输信息的汇聚节点，该节点将水声节点获取的信息转发至基站或卫星。因此对于水声传感器网络末端数百米的近距离通信，即所有水声节点将信息发送到汇聚节点的场景，相关的水声传感器网络MAC协议应当对此场景有较好的性能。

发明内容

本发明的目的是针对水声传感器网络的信道特性，提出一种多链路并发传输数据的方法，从而提高信道利用率和网络吞吐量。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：当检测到信道空闲至少持续一个时隙σ的时长后，源节点会依据改进的RTS/CTS握手协议竞争信道；如果竞争信道成功，源节点会在CTS控制帧规划的时刻开始发送数据，否则源节点会依据修改后的退避算法进行退避，等待信道空闲，然后重传数据。

步骤2：在接收到RTS控制帧后，目的节点记录与RTS控制帧里的源节点MAC地址对应的待发送数据大小和传输时延，并根据传输规划算法1制定源节点何时发送数据的方案，然后将方案以及ACK帧的发送时刻添加到CTS控制帧，最后目的节点会发送CTS控制帧，告知源节点何时发送数据。

步骤3：在源节点向目的节点发送RTS控制帧时，如果源节点的邻居节点有数据需要向源节点发送，并且邻居节点仅接收到源节点发送的RTS控制帧，则邻居节点会在下下一个时隙发送RTS控制帧，源节点会根据传输规划算法2决定它的邻居节点是否发送或者何时发送数据。

本发明提出的适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法已经在EXata网络仿真环境中实现。仿真实验中假设水声传感器节点的业务均为饱和状态，即节点总是有数据包需要发送，并且设置仿真网络中的发送节点随机分布在以接收节点为圆心，半径为750m的圆形区域内。时隙长度设置为1.1s，最大重传次数为2，最大传播时延为1s，数据包大小为3450bit，RTS控制帧大小为150bit，CTS控制帧的大小为300bit，ACK帧大小为300bit，水声信道数据传输速率为3kbps。仿真实验对随机生成50种拓扑的仿真结果取平均值，每种拓扑的仿真时间为30min。附图5和附图6给出了在不同水声节点数量的条件下，本发明的仿真结果与现有的水声网络信道接入方法仿真结果的对比。从仿真结果可以看出，本发明提出的水声传感器网络多链路并发传输方法相较于现有的水声网络接入方法可以获得较高的网络饱和吞吐量。

附图说明

图1是本发明中多链路并发传输模式1拓扑图；

图2是针对图1的并发传输时序图；

图3是本发明中多链路并发传输模式2拓扑图；

图4是针对图3的并发传输时序图；

图5是本发明在退避窗口值为8的仿真结果图；

图6是本发明在退避窗口值为10的仿真结果图；

图7是本发明定义的RTS帧格式示意图；

图8是本发明定义的CTS帧格式示意图；

图9是本发明定义的ACK帧格式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法简记为MLC-FAMA(Multi-Link Concurrent transmission MAC protocol basedon slotted FAMA protocol)。MLC-FAMA首先设定了以下网络运行条件：

1、水声节点工作在半双工状态，即在同一时刻，节点只能发送或者接收数据，但不能同时进行发送和接收；

2、忽略水中的声速在近距离条件下随温度、盐度、压力的较小变化；

3、一些水声传感器网络的时间同步方法已被提出，本说明书提出的方法不探讨时间同步问题，仅假设所有水声节点能够进行时间同步。

以上述条件为基础，本发明提出的MLC-FAMA已经在无线网络仿真环境EXata中获得了实现，并通过EXata环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。MLC-FAMA的具体实施步骤为：

步骤1：竞争信道过程，水声网络中所有节点采用握手机制竞争信道。

MLC-FAMA采用与Slotted FAMA协议一样的时隙结构，即时隙长度等于CTS控制帧长度加最大传播时延，记时隙长度为σ。这保证了RTS、CTS、ACK等数据帧在时隙的开始时刻发送时，传输范围内的节点都可以成功接收。

当水声节点准备发送一个新的数据包时，需要先通过载波检测的方式判断信道状态。若信道空闲，则进入退避状态，在退避完成后，节点会在时隙的开始时刻发送RTS控制帧。如果节点在两个时隙内完成RTS/CTS握手，则节点在握手完成后发送数据，否则节点会随机退避几个时隙，等待信道空闲，然后重传数据。当检测到信道忙时，节点会进入接收状态，通过接收的数据帧类型决定节点的操作。

类型1：当接收到目的节点为其它节点的RTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手，即节点将要发送数据，所以节点忽略这个RTS控制帧；否则节点等待两个时隙，若在这两个时隙之后，没有载波被检测到，节点回到空闲状态。

类型2：当接收到目的节点为自己的RTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手且为发送端，则节点根据传输规划算法2制定合理的发送方案；否则，节点根据传输规划算法1制定合理的发送方案。

这里不详细讲解，本发明书会在下文中的步骤二中讨论传输规划算法1，步骤三中讨论传输规划算法2。

类型3：当节点发送RTS控制帧时，如果接收到其它节点的RTS控制帧，节点忽略这个RTS控制帧，如附图1和附图2所示，忽略RTS控制帧可以实现暴露终端并发传输数据。

当节点发送RTS控制帧时，如果接收到其它节点的CTS控制帧，节点进入退避状态，等待当前传输完成，避免与当前传输冲突。

类型4：当接收到目的节点为其它节点的CTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手，节点忽略这个CTS控制帧；否则节点进入退避状态，等待当前传输完成，避免与当前传输冲突。

类型5：当节点发送CTS控制帧时，如果接收到其它节点的RTS控制帧，节点忽略这个RTS控制帧；如果接收到其它节点的CTS控制帧，节点进入退避状态，避免与当前传输冲突。

类型6：当接收到一个ACK帧时，节点根据ACK帧的字段信息判断是否需要重新发送数据，若发送数据失败，则节点会重新发送数据，直到成功传输或达到重传次数上限。

类型7：当检测到目的节点为其它节点的数据帧或传输冲突时，节点必须等待足够长的时间，直到信道空闲。

考虑到MLC-FAMA采用载波检测机制避免冲突，在竞争信道失败之后，节点会进入退避状态，退避时隙的大小会影响MAC协议的信道利用率。一方面，退避时隙过大会导致信道利用率低；另一方面，RTS/CTS控制帧都在一个时隙的开始时刻发送数据，退避时隙过小导致节点大概率在同一个时刻发送RTS/CTS控制帧，失去退避的意义。因此，MLC-FAMA设置退避时隙等于σ，即一个MLC-FAMA时隙大小。

由于无线电信道的传播时延远小于一个退避时隙，二进制指数退避算法(BinaryExponential Back-off，BEB)可以有效地避免传输冲突而不降低信道利用率，经典的IEEE802.11 DCF协议采用的就是二进制指数退避法，并在实际应用过程中取得了良好的效果。然而在水声信道，一方面，传输冲突会导致退避窗口增大，从而增加传输延迟；另一方面，MLC-FAMA期望在一个时隙内尽可能地接收到更多的RTS控制帧以实现多链路并发传输数据，提高信道利用率。因此，我们采用固定退避窗口CW，理论上存在一个最优窗口值使得网络吞吐量最大，显然这与网络规模、负载有关。

步骤2：传输规划过程，目的节点根据合理的规划算法规划源节点的何时发送数据。

如果目的节点在一个时隙接收到两个或多个RTS控制帧，认为RTS控制帧冲突，这显然降低了信道利用率和网络吞吐量。MLC-FAMA可以通过计算RTS控制帧与时隙开始时刻的偏移得到源节点和目的节点之间的时延，RTS控制帧也包含了源节点待发送数据的大小，所以根据时延和数据帧之间的数学关系，源节点推迟不同时间发送数据就能够实现无冲突传输，并且只握手一次，这大大提高了网络吞吐量。为了让RTS、CTS、ACK等数据帧携带传输规划信息，如附图7、附图8和附图9所示，本发明修改了它们的格式。RTS控制帧中添加发送节点、接收节点、数据长度等信息，目的节点根据规划算法，将决策和ACK应答时刻添加到CTS控制帧告知源节点，ACK帧告知源节点数据是否发送成功。附图3和附图4描述了这个规划算法的应用场景，具体规划算法如下所示。

将目的节点在一个时隙内成功接收RTS控制帧的个数记为n，然后以编号1～n表示源节点。源节点与目的节点之间的传播时延表示为r₁≤r₂≤r₃......≤r_n，每个源节点对应的待发送数据帧大小表示为d₁、d₂、d₃......d_n，每个源节点发送数据对应的推迟时间表示为t₁、t₂、t₃......t_n，t_ACK表示为ACK帧应答的时间，表示为误差修正值加节点状态转换需要的时间。

①如果r₁+d₁＞r₂，则时延为r₁的节点先发送数据，时延为r₂的节点推迟合适的时间发送；

②如果r₁+d₁≤r₂，则时延为r₁、r₂的节点可以同时发送数据；

③依次对比r₂与r₃、r₃与r₄......r_n-1与r_n，做出传输决策。

上述算法可以由以下等式描述：

其中ceil()表示对括号中的数向上取整，t_i等于0表示源节点在接收到CTS控制帧后，在下一个时隙开始时刻发送数据。

步骤3：数据传输过程，源节点的邻居节点有待向源节点发送的数据，源节点依据合理的规划算法规划邻居节点的何时发送数据。

如附图3和附图4所示，如果源节点A和源节点B向目的节点C传输数据时，源节点A的邻居节点D也有数据向节点A发送，允许节点D发送数据会提高网络吞吐量。因此当节点D接收到节点A的RTS控制帧后，会推迟一个时隙发送RTS控制帧，等待目的节点C与节点A完成握手。如果节点A推迟发送数据，节点A和节点D就可以握手成功，则节点D也可以向节点A发送数据。但考虑到传输冲突的问题，节点D需要在目的节点C接收数据的时间范围内完成数据传输，且不能与节点A发送数据的时间冲突，所以具体规划算法如下所示。

将源节点在一个时隙内成功接收RTS控制帧的个数记为m，然后以编号1～m表示邻居节点；源节点与邻居节点之间的传播时延表示为a₁≤a₂≤a₃......≤a_m，每个邻居节点对应的待发送数据帧大小表示为b₁、b₂、b₃......b_m，每个邻居节点发送数据对应的推迟时间表示为c₁、c₂、c₃......c_m，c_ACK表示为ACK帧应答的时间，T₁表示源节点开始发送数据的时刻，T₂表示源节点结束发送数据的时刻，T₃表示目的节点开始发送ACK帧的时刻，这里c₁等于0表示邻居节点1在接收到CTS控制后，在下一个时隙开始时刻发送数据。

则易得源节点在0～T₁和T₂～T₃时刻接收数据，所以采用以下算法规划邻居节点发送数据。

①令c_ACK＝T₃，c₁＝0，如果a₁+b₁+c₁+≤T₁，则邻居节点1推迟c₁发送数据，令i＝2，然后执行②，否则令i＝1，c_i＝T₂+a₁，然后执行③；

②若i大于m，则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；如果c_i-1+a_i-1+b_i-1+a_i，则令c_i＝c_i-1+a_i-1+b_i-1+a_i，否则令c_i＝c_i-1；如果a_i+b_i+c_i+≤T₁，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行②，否则令c_i＝T₂+a_i，执行③；

③如果a_i+b_i+c_i+≤T₃，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行④，否则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；

④若i大于m，则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；如果c_i-1+a_i-1+b_i-1+a_i，则令c_i＝c_i-1+a_i-1+b_i-1+a_i，否则令c_i＝c_i-1；如果a_i+b_i+c_i+≤T₃，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行④，否则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法，所采用的步骤是：

步骤1：当检测到信道空闲至少持续一个时隙σ的时长后，源节点会依据改进的RTS/CTS握手协议竞争信道；如果竞争信道成功，源节点会在CTS控制帧规划的时刻开始发送数据，否则源节点会依据修改后的退避算法进行退避，等待信道空闲，然后重传数据；

步骤2：在接收到RTS控制帧后，目的节点记录与RTS控制帧里的源节点MAC地址对应的待发送数据大小和传输时延，并根据传输规划算法1制定源节点何时发送数据的方案，然后将方案以及ACK帧的发送时刻添加到CTS控制帧，最后目的节点会发送CTS控制帧，告知源节点何时发送数据；

步骤3：在源节点向目的节点发送RTS控制帧时，如果源节点的邻居节点有数据需要向源节点发送，并且邻居节点仅接收到源节点发送的RTS控制帧，则邻居节点会在下下一个时隙发送RTS控制帧，源节点会根据传输规划算法2决定它的邻居节点是否发送或者何时发送数据。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法，其特征在于节点竞争信道采用的随机退避算法的具体方法为：

时隙长度σ的大小为CTS控制帧的长度加水声节点的最大传播时延，发送节点等待的随机退避时间是时隙长度σ的倍数，其大小为[0，CW-1]之间的一个随机整数；CW表示竞争窗口，且其大小与信道预约的重传次数和退避计数器的挂起次数无关，是一个固定值；如果信道在退避阶段持续空闲一个σ时长，则退避计数器的值减小1，如果在退避阶段侦听到了信道变忙，将退避计数器挂起，并等待信道持续空闲至少一个时隙时长σ后重启退避计数器，当退避计数器的值为0时，水声节点即可发送RTS控制帧，竞争信道。

3.根据权利要求1所述的一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法，其特征在于节点竞争信道采用改进的RTS/CTS握手协议的具体方法为：

RTS、CTS、ACK等数据帧都在时隙的开始时刻发送；当一个节点准备进入发送状态前，先通过载波检测的方式判断信道状态；若信道空闲，则进入退避状态，在退避完成后，节点会在时隙的开始时刻发送RTS控制帧；如果节点在两个时隙内完成RTS/CTS握手，则节点在握手完成后发送数据，否则节点会随机退避几个时隙，等待信道空闲，然后重传数据；当检测到信道忙时，节点会进入接收状态，通过接收的数据帧类型决定节点的操作；

类型1：当接收到目的节点为其它节点的RTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手，节点忽略这个RTS控制帧；否则节点等待两个时隙，若在这两个时隙之后，没有载波被检测到，节点回到空闲状态；

类型2：当接收到目的节点为自己的RTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手且为发送端，则节点根据传输规划算法2制定合理的发送方案；否则，节点根据传输规划算法1制定合理的发送方案；

类型3：当节点发送RTS控制帧时，如果接收到其它节点的RTS控制帧，节点忽略这个RTS控制帧；如果接收到其它节点的CTS控制帧，节点进入退避状态，等待当前传输完成，避免与当前传输冲突；

类型4：当接收到目的节点为其它节点的CTS控制帧时，若节点已经完成RTS/CTS握手，节点忽略这个CTS控制帧；否则节点进入退避状态，等待当前传输完成，避免与当前传输冲突；

类型5：当节点发送CTS控制帧时，如果接收到其它节点的RTS控制帧，节点忽略这个RTS控制帧；如果接收到其它节点的CTS控制帧，节点进入退避状态，避免与当前传输冲突；

类型6：当接收到一个ACK帧时，节点根据ACK帧的字段信息判断是否需要重新发送数据，若发送数据失败，则节点会重新发送数据，直到成功传输或达到重传次数上限；

类型7：当检测到目的节点为其它节点的数据帧或传输冲突时，节点必须等待足够长的时间，直到信道空闲。

4.根据权利要求1或3所述的一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法，其特征在于实现水声传感器网络多链路并发传输的传输规划算法1的具体方法为：

将目的节点在一个时隙内成功接收RTS控制帧的个数记为n，然后以编号1～n表示源节点；源节点与目的节点之间的传播时延表示为r₁≤r₂≤r₃......≤r_n，每个源节点对应的待发送数据帧大小表示为d₁、d₂、d₃......d_n，每个源节点发送数据对应的推迟时间表示为t₁、t₂、t₃......t_n，t_ACK表示为ACK帧应答的时间，δ表示为误差修正值加节点状态转换需要的时间；

①如果r₁+d₁＞r₂，则时延为r₁的节点先发送数据，时延为r₂的节点推迟合适的时间发送；

②如果r₁+d₁≤r₂，则时延为r₁、r₂的节点可以同时发送数据；

③依次对比r₂与r₃、r₃与r₄......r_n-1与r_n，做出传输决策；

上述算法可以由以下等式描述：

其中ceil()表示对括号中的数向上取整，t_i等于0表示源节点在接收到CTS控制帧后，在下一个时隙开始时刻发送数据。

5.根据权利要求1或3所述的一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法，其特征在于实现水声传感器网络多链路并发传输的传输规划算法2的具体方法为：

将源节点在一个时隙内成功接收RTS控制帧的个数记为m，然后以编号1～m表示邻居节点；源节点与邻居节点之间的传播时延表示为a₁≤a₂≤a₃......≤a_m，每个邻居节点对应的待发送数据帧大小表示为b₁、b₂、b₃......b_m，每个邻居节点发送数据对应的推迟时间表示为c₁、c₂、c₃......c_m，c_ACK表示为ACK帧应答的时间，T₁表示源节点开始发送数据的时刻，T₂表示源节点结束发送数据的时刻，T₃表示目的节点开始发送ACK帧的时刻，这里c₁等于0表示邻居节点1在接收到CTS控制后，在下一个时隙开始时刻发送数据；

则易得源节点在0～T₁和T₂～T₃时刻接收数据，所以采用以下算法规划邻居节点发送数据；

①令c_ACK＝T₃，c₁＝0，如果a₁+b₁+c₁+δ≤T₁，则邻居节点1推迟c₁发送数据，令i＝2，然后执行②，否则令i＝1，c_i＝T₂+δ-a₁，然后执行③；

②若i大于m，则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；如果c_i-1+a_i-1+b_i-1+δ＞a_i，则令c_i＝c_i-1+a_i-1+b_i-1+δ-a_i，否则令c_i＝c_i-1；如果a_i+b_i+c_i+δ≤T₁，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行②，否则令c_i＝T₂+δ-a_i，执行③；

③如果a_i+b_i+c_i+δ≤T₃，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行④，否则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；

④若i大于m，则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点；如果c_i-1+a_i-1+b_i-1+δ＞a_i，则令c_i＝c_i-1+a_i-1+b_i-1+δ-a_i，否则令c_i＝c_i-1；如果a_i+b_i+c_i+δ≤T₃，则邻居节点i推迟c_i发送数据，令i＝i+1，然后执行④，否则完成传输规划算法，抛弃没有规划的邻居节点。

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