CN112383885A - 一种基于s-fama的并发传输mac协议的设计 - Google Patents

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CN112383885A
CN112383885A CN202011365637.2A CN202011365637A CN112383885A CN 112383885 A CN112383885 A CN 112383885A CN 202011365637 A CN202011365637 A CN 202011365637A CN 112383885 A CN112383885 A CN 112383885A
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羊秋玲
董威
黄向党
陈艳霞
刘敬科
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Abstract

本发明涉及一种基于S‑FAMA的并发传输MAC协议的设计，主要包括下列步骤：建立系统模型：节点随机分布在某一海域，在网络初始化阶段，各个接收节点通过信息交互获知在其一跳传输范围内发送节点的传播时延；时间被分割成大小相等的时隙，时隙大小等于最大网络的最大传播时延加上数据包的传输时延，一轮通信一共分为四个阶段：RST阶段、CTS阶段、DATA阶段、ACK阶段；根据发送节点到接受节点的传播时延定义并发传输节点和并发传输节点集；发送节点首先向目标节点发送RTS包，网络中的接收节点根据接收到的RTS包的信息确定可以并发传输的节点集，并将相关信息加入到CTS包中后广播到网络中，发送节点在接收到CTS包之后，判断是否可以进行数据的传输。

Description

一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议的设计
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下无线网络通信的MAC协议。
背景技术
水下无线传感器网络是近年来兴起的一个研究方向，由于其在海洋资源探索、海岸防护、海洋环境监测等方面的实用性，水下无线传感器网络受到越来越多的关注。
水下无线传感器网络有着高延迟、低带宽、误码率高、多径效应严重等特点，这些特点毫无疑问的给水下传感器网络的设计带来了巨大的挑战。MAC协议是水下无线传感器网络设计中极为重要的一部分，MAC协议是一种信道接入机制，它对于网络的吞吐量和端到端延迟等方面的性能有着很大的影响。由于水下无线传感器网络的特点，水下MAC协议的设计面临着巨大的挑战。传统的MAC协议可大致分为两类：基于调度的MAC协议和基于竞争的MAC协议。FDMA、TDMA、CDMA是三种典型的基于调度的MAC协议，但是由于水声通信的带宽小、同步难、“远近”问题严重等一系列问题，导致这三种基于调度的MAC协议不适合于大规模的水声网络。基于竞争的MAC协议又可细分为基于握手的竞争性MAC协议和基于随机发送的竞争性MAC协议。在基于随机发送的MAC协议中，当节点的负载较大时，数据的碰撞概率会增加，从而导致网络的性能下降。而基于握手的MAC协议中，节点在传输数据包之前则是通过发送较短的控制包去竞争信道的使用权，这样可以避免数据包的碰撞，然而水下无线传感器网络的高延迟特点使得握手机制增加了网络的开销，而且传统的基于握手的MAC协议的握手效率低，握手成功率也不高，这更加增加了网络的额外开销。Slotted-FAMA（一下称S-FAMA）是一种比较传统的水下基于握手的竞争性MAC协议，它采用RTS/CTS/DATA/ACK的方式进行数据的传输，它将时间分为大小相等的时隙，数据只能在时隙的开始进行传输，在一个时隙中，节点根据侦听到的来自其它节点发送的包进行下一步的操作。
由于S-FAMA的传输规则不可避免的带来了一些问题：
1、S-FAMA将时间分割成大小相等的时隙，报文在时隙的开始进行传输。当网络负载较大的时候，会存在多个节点在同一个时隙的开始通过发送RTS控制包进行竞争信道的使用权，由于S-FAMA的传输规则，数据的传输可能不会有效的发生，而是向后推迟，而越往后推迟，有数据要传输的节点数就越多，多个节点在同一个时隙的开始发送RTS控制包这一现象就越严重，造成了一个恶行循环；
2、S-FAMA中的时隙的大小被设定为节点的最大传播时延加上控制报文的传输时延，并采用RTS/CTS握手机制，由于水下通信的长时延的特点，时隙的长度是一个很大的开销，而且RTS/CTS握手机制也会带来巨大的时间开销，此外，协议在一次成功握手中只允许一个节点进行数据传输，信道利用率低；
3、网络存在严重的暴露终端问题。
发明内容
针对传统的S-FAMA协议的不足之处，本文提出了一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议，根据网络的长传播时延的特点，设计了一种并发节点选择机制，接收节点根据接收到的来自各个发送节点的RTS包的信息计算得到一个并发传输节点集，发送节点根据接收到的来自各个接收节点CTS包中的并发传输节点集的信息选择自身是否发送数据。技术方案如下：
一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议的设计，包括下列步骤：
（1）建立系统模型：节点随机分布在某一海域，在网络初始化阶段，各个接收节点通过信息交互获知在其一跳传输范围内发送节点的传播时延，整个网络时针同步；
（2）时间被分割成大小相等的时隙，时隙大小等于最大网络的最大传播时延加上数据包的传输时延，一轮通信一共分为四个阶段：RST阶段、CTS阶段、DATA阶段、ACK阶段；
（3）根据发送节点到接受节点的传播时延定义并发传输节点和并发传输节点集；
（4）并发节点选择机制：发送节点首向目标节点发送RTS包，网络中的接收节点根据接收到的RTS包的信息确定可以并发传输的节点集，并将相关信息加入到CTS包中后广播到网络中，发送节点在接收到CTS包之后，决定是否进行数据的传输。
本发明提供了一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议，解决了网络的暴露终端问题，并且提高了网络的并发传输性，增加了网络的吞吐量，降低了端到端的延迟。
具体实施方案
本发明提供了一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议，接收节点根据接收到的来自各个发送节点的RTS包的信息计算得到一个并发传输节点集，发送节点根据接收到的来自各个接收节点CTS包中的并发传输节点集的信息决定自身是否发送数据。
提出的基于S-FAMA的MAC协议是针对分布式多跳无线传感器网络通信场景，网络中的所有节点都是同构的，即不需要超级节点去调度普通节点的数据传输。节点随机被锚定在某一海域组成水下传感器网络，网络中存在发送节点和相应的接收节点，发送节点将待发送的数据通过水声信道发送到各自的目标节点。具体的操作流程针对整个水下传感器网络。
本发明的具体操作流程如下：
1、建立系统模型：节点随机分布在某一海域，在网络初始化阶段，各个接收节点通过信息交互获知在其一跳传输范围内发送节点的传播时延，整个网络时针同步。
2、时间被分割成大小相等的时隙，时隙大小等于最大网络的最大传播时延加上数据包的传输时延，一轮通信一共分为四个阶段：RST阶段、CTS阶段、DATA阶段、ACK阶段。在RTS阶段，各个需要发送数据的发送节点在时隙的开始广播RTS控制包，其中RTS控制包中含有自身节点的ID信息、目标节点的ID信息。在CTS阶段，接收节点根据接收到的RTS包中的信息以及传输范围内各个节点的传播时延信息，确定并发传输节点集，并将其加入到CTS包中广播到网络中。在DATA阶段，发送节点根据并发传输机制以及接收到的CTS包中的信息决定是否进行数据的传输，若可以传输，则在DATA阶段的开始立刻发送数据。在ACK阶段，接收节点根据数据的接收情况回复ACK控制包，告知发送节点数据的传输情况。以上四个阶段，所有的数据均在时隙的开始进行发送。
3、根据发送节点到接受节点的传播时延定义并发传输节点和并发传输节点集：
定义1：并发传输节点：节点Ni和节点Nj均在节点NT的传输范围内，其中，Ni的目标节点为NT，节点Ni和节点Nj同时发送数据，节点Ni和节点Nj满足|ti,T- tj,T |>TD时，节点Nj称为节点Ni的并发传输节点，其中，ti,T为节点Ni和节点NT的传播时延，tj,T为节点Nj和节点NT的传播时延，TD为数据包的传输时延；
定义2：并发传输节点集：节点Ni和多个发送节点同时在节点NT的传输范围内发送数据，其中，Ni的目标节点为NT，则Ni与Ni的所有并发传输节点组成的集合称为并发传输节点集。
4、并发节点选择机制：
a、对于一个接收节点，当其接收到来自发送节点的RTS（目标节点是自身的RTS控制包）后，若还接收到来自其它节点的XRTS（目标节点是其它节点的RTS控制包），则接收节点根据定义确定可以并发传输的节点集，若未接收到XRTS，则令并发传输节点集为其本身，在下一个时隙的开始，将节点集加入到CTS包中发送。若接收节点未接收到RTS，则进入休眠状态等待下一轮的通信再进入工作状态；
b、对于一个发送节点，当其接收到CTS（目标节点是自身的CTS控制包）后，若还接收到来自其它节点的XCTS（目标节点是其它节点的CTS控制包），则该发送节点将接收到的XCTS中的所有并发节点集取交集，当交集中含有本身时，在下一个时隙的开始传输数据，若不含，则放弃传输，等待下一轮通信的开始发送RTS包竞争传输。若发送节点在发送RTS包之后，未收到CTS包，则进入休眠状态等待下一轮时隙的开始再进入工作状态；
c、其它节点进入休眠状态，等待下一轮通信的开始醒来。

Claims (1)

1.一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议的设计，包括下列步骤：
（1）建立系统模型：节点随机分布在某一海域，在网络初始化阶段，各个接收节点通过信息交互获知在其一跳传输范围内发送节点的传播时延，整个网络时针同步；
（2）时间被分割成大小相等的时隙，时隙大小等于最大网络的最大传播时延加上数据包的传输时延，一轮通信一共分为四个阶段：RST阶段、CTS阶段、DATA阶段、ACK阶段；
（3）根据发送节点到接受节点的传播时延定义并发传输节点和并发传输节点集：节点Ni和节点Nj均在节点NT的传输范围内，其中，Ni的目标节点为NT，节点Ni和节点Nj同时发送数据，节点Ni和节点Nj满足| ti,T- tj,T |>TD时，节点Nj称为节点Ni的并发传输节点，其中，ti,T为节点Ni和节点NT的传播时延，tj,T为节点Nj和节点NT的传播时延，TD为数据包的传输时延，Ni与Ni的所有并发传输节点组成的集合称为并发传输节点集；
（4）并发节点选择机制：发送节点首先向目标节点发送RTS包，网络中的接收节点根据接收到的RTS包的信息确定可以并发传输的节点集，并将相关信息加入到CTS包中后广播到网络中，发送节点在接收到CTS包之后，决定是否进行数据的传输。
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