CN111313980A - 基于接收队列时空映射的信道动态协商多址接入控制方法 - Google Patents

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周兆嘉
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Abstract

本发明涉及一种基于接收队列时空映射的信道动态协商的多址接入控制方法，包括下列的步骤：网络中每个节点都配备了水声通信调制解调器，至少存在一个汇聚节点，负责接收其他节点的数据；网络初始化阶段；信道预约阶段：汇聚节点处于休眠状态，发送节点若有数据发送请求则唤醒，唤醒之后的发送节点立即广播HP报文，将自己的位置信息、数据信息传递给调度节点SN请求调度；若此发送节点在发送HP报文后经过了RWT的时间仍然没有收到SN节点的回复，则判断此时网络中不存在SN节点，此发送节点开始作为SN节点保持唤醒；SN节点在CWT时间内收到多个发送节点的HP报文后则统计在CWT内的发送节点个数；数据传播阶段。

Description

基于接收队列时空映射的信道动态协商多址接入控制方法
技术领域
本发明属于一种多址接入控制方法。
背景技术
水声传感器网络(UASNs)是用来探索和观测海洋的一种最有效的工具，有着广泛的应用场景：海洋污染监测、海洋资源勘探、军事战略观察、地震灾害监测等等，因此水声传感器网络中相关协议的研究有着广泛的应用前景。水声传感器网络通过在复杂的水下环境中部署配置了水声通信机的传感器节点，实现水下传感数据的采集和汇聚，通过水下节点的中继最终将数据传输到陆地基站进行处理。
多址接入控制(MAC)协议是水声传感器网络的一个重要组成，水下MAC协议的主要作用是实现水声信道的合理分配，使多个水下节点可以无碰撞的共用同一信道，最大化网络的吞吐量，节省能量并且兼顾节点间的公平性。由于水声信道的性质，水下MAC协议面临着长传播时延导致的时空不确定性问题，即信息传输的调度问题是时-空二元问题，并且由于网络中节点数据的突发性，协议设计时还需考虑网络结构的动态适应问题。
发明内容
为了在避免冲突的基础上优化网络的吞吐量等性能，本发明提出了一种专用于数据汇聚以及簇内节点接入调度场景的多址接入控制方法，称之为DCN-MAC。DCN-MAC是一种接收端发起，以数据队列形式接收数据的多址接入控制方法。网络中存在至少一个汇聚节点和多个发送节点，汇聚节点负责收集发送节点的数据并将数据传输到岸基中断进行处理，发送节点在有数据发送需求后会唤醒，唤醒之后按照信道预约算法实现节点之间的发送时间调度，结合不同节点之间的位置信息和发送数据包大小确定每个节点的发送时刻，消除时空不确定性问题，使所有数据按照数据队列到达汇聚节点，避免了数据包碰撞的可能。DCN-MAC不需要考虑节点的在某一时刻的业务量能够灵活适应多种拓扑结构，可以轻松应对传感器网络中节点数据的突发性，因此该协议有着很强的动态适应能力。在预约阶段应用了基于博弈理论的冲突避免机制，将多节点同时唤醒竞争信道的情况视为非合作不完全信息博弈，博弈可以用纳什均衡方程求解，可以有效处理多节点同时唤醒的状态。技术方案如下：
1.一种基于接收队列时空映射的信道动态协商的多址接入控制方法，包括下列的步骤：
(1)网络中每个节点都配备了水声通信调制解调器，至少存在一个汇聚节点，负责接收其他节点的数据，并且将收集到的数据信息通过卫星转发传输到岸边的基站进行处理。
(2)网络初始化阶段：节点之间首先实现时间同步，之后广播共享自己到达汇聚节点的传播时延。初始化完成之后，接收节点会按照周期唤醒和休眠，分别实现节点发送时刻的确定和数据的传播。
(3)信道预约阶段：在这一阶段，汇聚节点处于休眠状态，发送节点若有数据发送请求则唤醒，唤醒之后的发送节点立即广播HP(Hello Packet)报文，将自己的位置信息、数据信息传递给调度节点SN(Scheduling Node)请求调度。SN节点并不是一个特定的节点，而是会随着时间而变化，网络中的任何一个发送节点都有可能承担起SN节点的作用。若此发送节点在发送HP报文后经过了RWT(Request Wait Time)的时间仍然没有收到SN节点的回复，则判断此时网络中不存在SN节点，此发送节点开始作为SN节点保持唤醒。
(4)SN节点收到发送节点的HP报文后，等待CWT(CollisionWaitTime)的时间，倘若这一段时间内只收到了一个HP报文，则认为没有出现多节点竞争信道的情况，对比自身和此发送节点的剩余能量信息，选择剩余能量多的节点作为下一时刻的SN节点，之后SN节点根据目前已有的发送时刻表以及此发送节点的位置和数据信息计算此发送节点的发送时刻，广播HPR(Hello Packet Reply)报文，通知该发送节点下一时刻的动作。若SN节点在CWT时间内收到了多个HP报文则进入步骤5，开始多个发送节点之间的博弈，实现信道的分配；
(5)SN节点在CWT时间内收到多个发送节点的HP报文后则统计在CWT内的发送节点个数，之后通过GB(Game Begin)报文报告多个发送节点竞争节点的个数，并且开始信道的博弈竞争，各发送节点具有相同的单阶段效用值,VF(Value offailure)表示发生冲突时节点的收益，VW(Value ofWait)表示在这一竞争中该节点退避的收益，VS(Value ofsend)代表发送成功的收益，此外，发送同种业务的节点具有相同的发送概率τ，对于任意节点i，其在n个节点竞争信道的效用函数：
Figure BDA0002380965430000021
最大化条件为：
Figure BDA0002380965430000022
在最大化条件下，解得每个节点的最佳发送概率为：
Figure BDA0002380965430000023
每个发送节点都需要将自己的GHB(Game Hello Packet)报文发送给SN节点，GHB报文中包含了每个节点的信息，不需要考虑GHB报文到达SN节点的先后顺序，因此令冲突的节点在竞争期内以均匀分布的概率τ发送GHB，
(6)数据传播阶段：汇聚节点结束休眠网络进入数据传播阶段，SN节点将自己的数据包和存有其他节点发送时刻的发送时刻表一起传送给汇聚节点，之后进入休眠状态，所有的发送节点都有自己的明确的发送时刻，在指定时刻唤醒发送自己的数据包，发送完成之后进入休眠状态降低能量的损耗。接收节点获取发送时刻表后，开始接受其他所有按照时刻表唤醒并且开始发送的发送节点的数据，结束后再次休眠。
本发明提出的一种基于接收队列时空映射的信道动态协商多址接入控制方法，结合不同节点之间的位置信息和发送数据包大小确定每个节点的发送时刻，消除了时空不确定性问题，使所有数据按照数据队列到达接收节点，避免了数据包碰撞的可能。并且不需要考虑节点的在某一时刻的业务量能够灵活适应多种拓扑结构，可以轻松应对传感器网络中节点数据的突发性，因此该协议有着很强的动态适应能力。
附图说明
图1是信道预约阶段流程图。
图2是数据传播阶段流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
本发明提出的水声网络多址接入控制方法，通过基于数据队列的发送时刻算法，在考虑发送节点位置信息和数据包信息的基础上计算发送节点的具体发送时刻，令多个节点的数据以数据队列的形式到达接收节点，实现无碰撞的数据传输。DCN-MAC能够灵活适应节点数据的突发性导致的拓扑结构改变以及业务模型变化，具有很强的动态适应能力。在发生多个节点同时竞争信道的情况时，DCN-MAC将这一竞争视为不完全信息博弈，通过纳什均衡方程求解，减小了由于多节点同时唤醒发送导致的数据包丢失概率。
该协议应用在一个数据汇聚的单跳准静态网络或分簇网络中的簇内节点接入调度，在网络初始化阶段，节点之间首先实现时间同步，之后广播共享自己到达接收节点的传播时延。初始化完成之后，接收节点会按照周期唤醒和休眠，根据接受节点的休眠和唤醒状态，将网络划分为信道预约和数据传播两个阶段，分别实现节点发送时刻的确定和数据的传播。
本发明的具体操作流程如下：
1.信道预约分配流程：在这一阶段，汇聚节点处于休眠状态，网络中存在一个保持唤醒的调度节点SN(Scheduling Node)，发送节点若有数据发送请求则唤醒，之后各个待发送节点通过控制包交互，按照图1中的控制包交互流程实现信道的预约分配：
(1)信道预约分配流程：DCN-MAC中信道按照图1示出的流程实现信道预约，发送节点唤醒后广播发送Hello Packet(HP)报文，通知目前网络中的SN节点有新的数据请求调度,HP中包含该节点的ID，数据包长度，剩余能量，到接收节点的传播时延。若发送节点发送HP后，等待了RWT(Request Wait Time,RWT等于两倍的网络最大传播时延)后，未收到SN节点的回复，则认为网络中上不存在SN节点，该发送节点作为SN节点保持唤醒。SN节点在接收到一个HP报文后会进入CWT(Collision Wait Time)状态,CWT的大小等于网络中的最大传播时延，等待在CWT时间内唤醒的其他发送节点的HP报文，若在CWT时间内仅收到一个HP报文，则此次调度未出现多发送节点竞争，SN节点运行发送时间表调度算法，根据HP报文中包含的剩余能量信息确定下一时刻担任SN节点的ID，之后计算非SN节点的发送时刻，将数据放入HPR(Hello Packet Reply)报文中广播发送，通知该发送节点。若在CWT时间内有多个节点唤醒，就需要运行竞争调度机制，解决冲突问题。
(2)基于数据队列的发送时刻调度算法：每个发送节点发送数据的时刻是根据ST中已有的节点发送时间和对应节点到汇聚节点的传播时延再结合自身的信息去计算自己的发送时刻。因此第一个被调度的节点的发送时刻ST1＝0，即接收节点唤醒之后该节点立即开始数据发送。其他节点在被调度之前ST中已经保存了其他节点的发送时刻，就需要考虑其他节点在发送数据时所要占用的接收节点的时间段，计算自己的数据包长度能否插入在已有的几个时间段中间，避免数据包的冲突。假设C节点的数据包长度小于两个节点A和B数据包占用时间段之间的长度，并且C节点可以在该时间段到达，那么C节点的发送时刻STC＝STA+delayA+datalen-delayC,通过调度算法使得节点C的数据包在A和B数据包之间被接收。
(3)基于博弈论的冲突避免机制：SN节点在CWT时间内接收到多个节点的HP报文后就会统计CWT内唤醒的节点个数，将唤醒节点个数信息放入GB(Game Begin)报文中广播通知发送节点开始博弈竞争信道。博弈的目的是为使发生冲突的每个节点都可以将自己的GHB(Game Hello Packet)报文发送给SN，GHB报文中包含了每个节点的信息，不需要考虑GHB报文到达SN的先后顺序。因此令冲突的节点在竞争期内以均匀分布的概率发送GHB，可以最有效地降低冲突的可能性，此时博弈求解就是解出最佳的发送概率。对于多个节点之间的博弈。设各节点具有相同的单阶段效用值VF(Value of failure)表示发生冲突时节点的收益，VW(Value of Wait)表示在这一竞争中该节点退避的收益，VS(Value of send)代表发送成功的收益。此外，假定理想情况下发送同种业务的节点具有对称的发送概率τ。求解任意节点i的最大化效用值，则效用函数为：
Figure BDA0002380965430000041
最大化条件为：
Figure BDA0002380965430000042
解得每个节点的最佳发送概率为：
Figure BDA0002380965430000043
2.数据传播阶段：接收节点结束休眠网络进入数据传播阶段，SN节点将自己的数据包和存有其他节点发送时刻的ST一起传送给接收节点，之后进入休眠状态。网络内节点都是时间同步的，因此发送节点知道接收节点唤醒的具体时刻，并且所有的发送节点都有自己的明确的发送时刻，之后会在指定时刻唤醒发送自己的数据包，发送完成之后进入休眠状态降低能量的损耗。接收节点获取ST后，开始接受其他所有按照ST唤醒并且开始发送的发送节点的数据。周期结束后再次休眠。当本周期的数据全部接收完成之后完成数据的上传，然后再次进入休眠状态，等待下一周期再次唤醒。具体的数据接收流程图如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于接收队列时空映射的信道动态协商的多址接入控制方法，包括下列的步骤：
(1)网络中每个节点都配备了水声通信调制解调器，至少存在一个汇聚节点，负责接收其他节点的数据，并且将收集到的数据信息通过转发传输到岸边的基站进行处理。
(2)网络初始化阶段：节点之间首先实现时间同步，之后广播共享自己到达汇聚节点的传播时延，初始化完成之后，接收节点会按照周期唤醒和休眠，分别实现节点发送时刻的确定和数据的传播；
(3)信道预约阶段：在这一阶段，汇聚节点处于休眠状态，发送节点若有数据发送请求则唤醒，唤醒之后的发送节点立即广播HP(Hello Packet)报文，将自己的位置信息、数据信息传递给调度节点SN(Scheduling Node)请求调度；若此发送节点在发送HP报文后经过了RWT(Request Wait Time)的时间仍然没有收到SN节点的回复，则判断此时网络中不存在SN节点，此发送节点开始作为SN节点保持唤醒；
(4)SN节点收到发送节点的HP报文后，等待CWT(CollisionWaitTime)的时间，倘若这一段时间内只收到了一个HP报文，则认为没有出现多节点竞争信道的情况，对比自身和此发送节点的剩余能量信息，选择剩余能量多的节点作为下一时刻的SN节点，之后SN节点根据目前已有的发送时刻表以及此发送节点的位置和数据信息计算此发送节点的发送时刻，广播HPR(Hello Packet Reply)报文，通知该发送节点下一时刻的动作；若SN节点在CWT时间内收到了多个HP报文则进入步骤(5)，开始多个发送节点之间的博弈，实现信道的分配；
(5)SN节点在CWT时间内收到多个发送节点的HP报文后则统计在CWT内的发送节点个数，之后通过GB(Game Begin)报文报告多个发送节点竞争节点的个数，并且开始信道的博弈竞争，各发送节点具有相同的单阶段效用值,VF(Value offailure)表示发生冲突时节点的收益，VW(Value ofWait)表示在这一竞争中该节点退避的收益，VS(Value ofsend)代表发送成功的收益，此外，发送同种业务的节点具有相同的发送概率τ，对于任意节点i，其在n个节点竞争信道的效用函数：
Figure FDA0002380965420000011
最大化条件为：
Figure FDA0002380965420000012
在最大化条件下，解得每个节点的最佳发送概率为：
Figure FDA0002380965420000013
每个发送节点都需要将自己的GHB(Game Hello Packet)报文发送给SN节点，GHB报文中包含了每个节点的信息，不需要考虑GHB报文到达SN节点的先后顺序，令冲突的节点在竞争期内以均匀分布的概率τ发送GHB；
(6)数据传播阶段：汇聚节点结束休眠网络进入数据传播阶段，SN节点将自己的数据包和存有其他节点发送时刻的发送时刻表一起传送给汇聚节点，之后进入休眠状态，所有的发送节点都有自己的明确的发送时刻，在指定时刻唤醒发送自己的数据包，发送完成之后进入休眠状态降低能量的损耗；接收节点获取发送时刻表后，开始接受其他所有按照时刻表唤醒并且开始发送的发送节点的数据，结束后再次休眠。
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