CN112383925A - 一种基于簇的时空调度mac协议的设计 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种适用于水下无线传感器网络的MAC协议，基于簇的时空调度MAC协议，该MAC协议设计主要包括下列步骤：建立网络模型：节点随机部署在某一海域中自组成网，网络中的节点根据成簇算法组成簇，各个节点的传输范围相同，假设根据成簇算法得到的各个簇头节点不在彼此的传输范围内，一些簇头节点的传输范围相互交叉。整个网络时针同步，且每个节点都知道其它节点的地理位置；定义节点的度、干扰节点、禁止时间、时空冲突图；根据节点度越大的节点的数据传输导致越多的数据碰撞的概率越大，所以节点度越大的节点要求其最先传输的思想，构造时空冲突图,极大简化了时空冲突图的复杂性；在节点冲突图构造完之后，确定节点的优先级；在上述工作完成后，确定节点的传输时间。

Description

一种基于簇的时空调度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MAC协议的设计。
背景技术
水下无线传感器网络利用声波作为传输媒介，因此具有长时延的特性，长时延的特性带来了时空不确定性问题，这给水下无线传感器网络的传输调度带来了巨大的挑战。
MAC协议是一种信道接入机制，它的作用是通过调度多个节点接入信道的时机，从而避免数据包发生冲突。MAC协议对于网络的吞吐量、网络的端到端延迟、节点能量消耗等方面有着重要影响，MAC协议可以大致分为两大类：基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议。基于竞争的MAC协议还可以分为随机接入信道机制和基于握手机制两种。由于水下无线传感器网络的时空不确定性，传统的陆地MAC协议无法直接运用到水下无线传感器网络中。簇状网络拓扑能够均衡网络中节点的能耗，是水下无线传感器网络中常见的一种拓扑结构，因此设计了一种基于簇的时空调度MAC协议。
发明内容
为了提升网络的吞吐量、网络的端到端延迟、节点能量消耗等方面的性能，本发明设计了一种基于簇的时空调度MAC协议，通过在簇状结构下构造时空冲突图，从而确定节点的发送时间，实现了无碰撞传输，提升了网络性能。技术方案如下：
一种基于簇的时空调度MAC协议的设计，包括下列步骤：
（1）.建立网络模型：节点随机部署在某一海域自组成网，网络中的节点根据成簇算法组成簇，各个节点的传输范围相同，假设根据成簇算法得到的各个簇头节点不在彼此的传输范围内，一些簇头节点的传输范围相互交叉。整个网络时针同步，且每个节点都知道其它节点的地理位置；
（2）.定义节点的度、干扰节点、禁止时间、时空冲突图；
（3）.根据节点度越大的节点的数据传输导致越多的数据碰撞的概率越大，所以节点度越大的节点要求其最先传输的思想，构造时空冲突图；
（4）在节点冲突图构造完之后，确定节点的优先级，在节点度一样的情况下根据公式
SPN(n)(i)=E2(i)∙( E(i) -V(i))+ Di,H/R去确定节点度为n的节点的优先级，其中，其中，E(i)表示节点i冲突图的边数，V(i)表示节点i冲突图的顶点数，Di,H表示节点距离目的节点即簇头节点的距离，R表示节点的最大传输半径；
（5）在上述工作完成后，确定节点的传输时间，节点通过接收的信息标记自身的状态，并确定传输时间。
本发明设计了一种基于簇的时空调度MAC协议，通过在簇状结构下构造时空冲突图，从而确定节点的发送时间，实现了无碰撞传输，提升了网络性能。
具体实施方式
本发明提出的基于簇的时空调度MAC协议，通过在簇状结构下构造时空冲突图，进而确定节点的发送时间，从而增加了网络的并行传输，实现了无碰撞传输，极大地提升了网络的通信性能。
在一个水下静态的网络通信场景中，每个节点都是同构的，即传输范围相同，不存在超级节点。所有节点自主成簇，得到的簇状网络拓扑中各个簇头节点不在彼此的传输范围内，一些簇头节点的传输范围相互交叉，成员节点到簇头节点的距离为单跳距离，簇头收集来自簇成员节点的数据后，将其转发给水面网关节点。
本发明的具体操作流程如下：
1.建立网络模型：节点随机部署在某一海域中自组成网，网络中的节点根据成簇算法组成簇，各个节点的传输范围相同，假设根据成簇算法得到的各个簇头节点不在彼此的传输范围内，一些簇头节点的传输范围相互交叉。整个网络时针同步，且每个节点都知道其它节点的地理位置；
2.相关定义：
（1）定义节点的度：如果一个成员节点的传输范围内有n个簇头节点，则称该节点的度为n；
（2）干扰节点：节点i的传输可能被其它节点干扰，节点i的传输也可能导致其它节点的传输失败，称干扰发送节点i的传输的节点和被发送节点i干扰传输的发送节点称为节点i的干扰节点；
（3）禁止时间：节点i的目的节点是簇头节点s，节点j是节点i的干扰节点，则节点i的数据发生碰撞丢失只有一种情况就是在簇头节点s发生碰撞。节点i在t0时刻向节点发送一个传输时延为T的数据包后，节点j不能在时间段[ t0+Ci,j(s)-T, t0+Ci,j(s)+T ]内传输数据，称[ t0+Ci,j(s) -T, t0+Ci,j(s)+T ]为节点j的禁止时间，其中Ci,j(s) =Ti,s-Tj,s，其中 Ti,s，Tj,s分别为成员节点i和j到簇头节点s的传播时延；
（4）时空冲突图；定义SCG(i)为节点i的时空冲突图，它是一个加权多重图，用于描述节点i和其干扰节点之间的冲突关系，时空冲突图的顶点表示干扰节点，加权边表示冲突关系；
3.根据节点度越大的节点的数据传输导致越多的数据碰撞的概率越大，所以节点度越大的节点要求其最先传输的思想，构造时空冲突图。网络一共有N个簇，C1, C2,…,Cn ,
每个簇相应的有S1, S2,…,Sn个成员节点，H1, H2,…,Hn分别为N个簇的簇头节点，所有节点的传输半径都一样为R。定义Ci,j(s)为簇Ci的成员节点，其中1≤i≤N, 1≤j≤Si。
定义如果Ci,j为簇Ci的成员节点则有Ci,j∈Ci 1≤i≤N, 1≤j≤Si。Ci,j∝Ck 1≤j≤Si表示成员节点Ci,j在簇头Hk的传输范围内。TCi,j,Hk 1≤i≤N, 1≤j≤Si , 1≤k≤N表示成员节点Ci,j到簇头Hk的传播时延。令WCi,j,Ck,l(H﹠)= TCij,H﹠- TCk,l,H﹠。
设某一节点度为n的节点为Ci,j，CE为其它节点度为n和度大于n的节点集合，Ck,l为集合CE中的节点，H﹠为成员节点Ci,j传输范围内的簇头节点，一共有n个。CE中能与Ci,j因传输导致冲突的节点可分为两类：
Figure 534634DEST_PATH_IMAGE001
i=﹠, Ck,l∝C﹠
Figure 451774DEST_PATH_IMAGE002
i≠﹠, Ck,l∈C﹠
两类节点为成员节点Ci,j(s)的干扰节点。
数据包的长度为T，当Ck,l节点为干扰节点且选择tk,l时刻发送传输数据时，成员节点Ci,j如果在时间段[tk,l -WCi,j,Ck,l(H﹠) -T， tk,l-WCi,j,Ck,l(H﹠)+T ]内传输数据的话，将会在簇头节点H﹠发生碰撞。则[tk,l-WCi,j,Ck,l(H﹠) -T， tk,l- WCi,j,Ck,l(H﹠)+T ]为由节点Ck,l传输导致的禁止时间。
对于节点度为1的成员节点Ci,j，因为度为1，也就是说它们只在各自的簇头的传输范围内，即它们的传输不会在其它簇头发生碰撞，则能与Ci,j因传输导致冲突的节点为簇头节点Hi传输范围内的所有节点。当干扰节点Ck,l节点选择tk,l时刻发送传输数据时，成员节点Ci,j的禁止发送时间为 [tk,l- WCi,j,Ck,l(H﹠) -T， tk,l- WCi,j,Ck,l(H﹠)+T ]；
4.在节点冲突图构造完之后，确定节点的优先级，在节点度一样的情况下根据公式
SPN(n)(i)=E2(i)∙( E(i) -V(i))+ Di,H/R去确定节点的优先级，其中，其中，E(i)表示节点i冲突图的边数，V(i)表示节点i冲突图的顶点数，Di,H表示节点距离目的节点即簇头节点的距离，R表示节点的最大传输半径；
5.在上述工作完成后，确定节点的传输时间，节点通过接收的信息标记自身的状态，并确定传输时间。具体步骤如下：
根据干扰节点的定义可知，一个节点的干扰节点必定与该节点在同一个簇头的传输范围内，所以，一个节点最多通过两跳的距离即可获得其干扰节点的信息。初始化时，节点标记自己的状态为“0”。
步骤一：节点向簇头和邻居节点广播其节点度，发送优先级以及状态信息，簇头节点转发收到的信息，同时，节点从邻居节点和簇头节点接收其它节点的节点度，发送优先级和状态信息；
步骤二：节点在收到的信息中，根据干扰节点的定义找到所有的干扰节点，若在干扰节点中的状态为“0”的节点的度都低于自己或者存在相同的度但是节点的优先级低于自己，则节点计算自己的传输时间，并将状态设为“1”，最后将传输时间和状态信息广播给邻居节点和簇头节点；
步骤三：若在干扰节点中的状态为“0”的节点中存在度高于自己的节点或者存在有相同的度但优先级高于自己的节点，则等待一段时间后，返回步骤二；
步骤四：重复步骤二、三，直到所有节点的状态都为“1”，即所有节点都确认了自己的传输时间。

Claims (2)

1.一种基于簇的时空调度MAC协议的设计，包括下列步骤。
2.（1）.建立网络模型：节点随机部署在某一海域自组成网，网络中的节点根据成簇算法组成簇，各个节点的传输范围相同，假设根据成簇算法得到的各个簇头节点不在彼此的传输范围内，一些簇头节点的传输范围相互交叉，整个网络时针同步，且每个节点都知道其它节点的地理位置；
（2）.定义节点的度、干扰节点、禁止时间、时空冲突图；
（3）.根据节点度越大的节点的数据传输导致越多的数据碰撞的概率越大，所以节点度越大的节点要求其最先传输的思想，构造时空冲突图；
（4）在节点冲突图构造完之后，确定节点的优先级，在节点度一样的情况下根据公式
SPN(n)(i)=E2(i)∙( E(i) -V(i))+ Di,H/R去确定节点度为n的节点的优先级，其中，其中，E(i)表示节点i冲突图的边数，V(i)表示节点i冲突图的顶点数，Di,H表示节点距离目的节点即簇头节点的距离，R表示节点的最大传输半径；
（5）在上述工作完成后，确定节点的传输时间，节点通过接收的信息标记自身的状态，并确定传输时间。
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