CN114125069A - 一种水声网络多对一并行传输mac协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声网络技术领域，涉及一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，包括：一、网络初始化阶段：二、握手阶段：设置计时器，由接收节点发起一个控制帧与多个节点进行握手并且交互收发节点的ID、层级及位置等信息，并在计时器超时前统计SN响应的节点数量；接收节点根据握手成功节点的数量，并且与各发送节点的距离与数据包大小来规划来自不同节点数据的接收调度时间；三、传输阶段。本发明能较佳地提高提高信道利用率、网络吞吐量。

Description

一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法

技术领域

本发明涉及水声网络技术领域，具体地说，涉及一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法。

背景技术

电信号和光信号在水下通信过程中信号衰减比较严重，因此，水声网络主要采用水声信号来进行通信。由于水声信道具有长延迟、低带宽、高能耗、高误码率等特征，给水声网络通信带来了一定的影响。此外，隐藏终端、时空不确定性、远近效应等问题给水声网络媒体访问控制(MAC)协议的设计带来了更大的挑战。目前成熟的陆地无线传感器网络MAC协议不适用于水声网络通信。因此，针对水声网络的特征设计一个高网络性能MAC协议尤为重要。

近年来，在水声网络中提出了许多MAC协议。这些MAC协议可分为三种类型：基于非竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议和基于混合的MAC协议。有文献提出的Slotted-FAMA协议引入了时隙，并采用载波侦听机制和握手机制在一定程度上解决了隐藏终端和数据冲突问题。但由于其时隙过长，并且每次握手成功后只允许一个节点发送数据导致信道利用率较低。有文献提出的R-MAC协议是基于信道预约机制，虽然在突发流量的网络里具有较高的吞吐量，但其延迟较大，且冲突避免机制较复杂。有文献提出了一种基于集群的DCO-UASN的混合MAC协议，在集群中定期进行集群内通信和集群间通信，以避免发送方和接收方冲突。然而，当该协议使用于具有高网络负载的集群间通信时网络吞吐量较低。

发明内容

为了提高信道利用率、网络吞吐量等性能，本发明的内容是提供一种水声网络并发调度(CS,Concurrent Scheduling)的MAC协议实现方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其包括以下步骤：

一、网络初始化阶段：

二、握手阶段：设置计时器，由接收节点发起一个控制帧与多个节点进行握手并且交互收发节点的ID、层级及位置等信息，并在计时器超时前统计SN响应的节点数量；接收节点根据握手成功节点的数量，并且与各发送节点的距离与数据包大小来规划来自不同节点数据的接收调度时间；

三、传输阶段。

作为优选，网络初始化阶段时，进行节点分层，使网络中的每个节点都维护着一个动态邻居表，邻居表中记录一跳邻居节点的ID、层级、老化时间以及位置信息。

作为优选，节点分层的方法为：sink节点向全网广播hello报文，每个节点收到hello控制报文后，获取自身的层级，根据距离sink节点的跳数来进行配置自身的层级。

作为优选，握手阶段步骤如下：

2.1、设置计时器Timer，同时广播一个RTR报文；计时器确保Timer期间能够接收到所有处于接收节点传输范围内有数据要发送的节点的握手控制帧；计时器超时前进行统计给自己发送了响应控制帧的节点数量；

2.2、当邻居节点收到来自接收节点的RTR报文后，首先需要判断自身层级L_s与接收节点层级L_r的关系，然后判断是否检测到干扰信号；

2.3、接收节点在一次握手过程中收到了来自多个不同发送节点的发送通知SN帧后，根据发送节点的个数、接收节点与各发送节点的距离及各发送节点数据的长度，接收节点给有数据要发送给自己的各发送节点分配不同的接收调度时间，将所分配的接收调度时间封装到ORDER帧中并以广播形式发送，让完成握手的发送节点有序地发送数据；

作为优选，计时器Timer的计算公式为：

Timer＝2T_{pd_max}+2θ+Rand()；

式中，Rand()是0～1之间的一个随机时间间隔，θ表示控制报文的传输时延。T_{pd_max}是单程空间最大传播时延，即发送报文到邻居节点最大传输范围的时间，公式所下：

式中，d_max为接收节点最大传输范围，v是声波在水中的传播速度。

作为优选，步骤2.2中，若L_r≥L_s，则节点丢弃该RTR报文并保持静默；若L_r<L_s，则邻居节点侦听信道。

作为优选，步骤2.2中，若未检测到干扰信号，则立刻向接收节点发送一个SN报文，SN报文中含有目的地址、源地址、节点ID、节点层级、节点位置；若检测到干扰信号，则推迟传输。

作为优选，传输阶段中，广播完ORDER帧后节点进入调度数据传输阶段，发送节点收到ORDER帧后，根据接收节点分配给自己数据的接收调度时间后进行计算自己发送数据时间，并将自己的数据在所计算的发送时间点上发送给接收节点，之后等待接收ACK确认帧；这样就实现了多个发送节点对一个接收节点的并发传输。

作为优选，传输阶段中，设接收节点有H个邻居节点，H＝K+Q；其中K个邻居节点的层级是小于自身层级；Q个邻居节点的层级是大于或等于自身层级，记这类节点为干扰节点；接收节点从K个邻居节点中接收第一个发送节点的数据包的时间为T_{r_1}＝θ+2T_{pd_1}+δ，其中δ表示数据包的传输时延，T_{pd_1}表示第一个发送节点的传播时延；为了保证两个数据包在接收处不冲突，接收两个数据包之间设置一个保护时间T_guard，则接收第二个发送节点的数据包的接收时刻为，如下式所示：

T_{r_2}＝T_{r_1}+T_guard+δ；

接收第三个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_3}＝T_{r_1}+2(T_guard+δ)；

接收第n个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_n}＝T_{r_1}+(n+1)×(T_guard+δ),n∈1,K；

发送节点收到接收节点发来的ORDER报文后，根据接收时间计算各自的发送时间；则第一个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_1}＝T_{r_1}-T_{pd_1}；

第二个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_2}＝T_{r_2}-T_{pd_2}；

第n个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_n}＝T_{r_n}-T_pdn，n∈[1,K]。

本发明提出了一种水声网络并发调度(CS,Concurrent Scheduling)的MAC协议的实现方法。与一些现存的信道预留类MAC协议相比，本发明由接收节点设置计时器并发起握手，接收节点通过广播一个控制帧与多个节点进行握手，按照握手情况给后续需要接收的数据安排调度时间，让完成握手的节点有序地发送数据，实现了多个发送节点对一个接收节点的并发传输。本发明在很大程度上解决了数据冲突、隐藏终端和时空不确定性等问题，同时提高了节点的公平性、信道利用率和网络吞吐量等网络性能。

附图说明

图1为实施例1中一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法的流程图；

图2为实施例1中CS-MAC协议传输各类报文示意图；

图3为实施例1中发包间隔与网络吞吐量的关系示意图；

图4为实施例1中节点数目与端到端延时的关系示意图；

图5为实施例1中节点数目与交付率的关系示意图；

图6为实施例1中数据率与网络吞吐量的关系示意图；

图7为实施例1中节点数目与网络总能耗的关系示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其包括以下步骤：

一、网络初始化阶段：节点分层，使网络中的每个节点都维护着一个动态邻居表，邻居表中记录一跳邻居节点的ID、层级、老化时间以及位置信息；

节点分层的方法为：sink节点向全网广播hello报文，每个节点收到hello控制报文后，获取自身的层级，根据距离sink节点的跳数来进行配置自身的层级。根据距离sink节点的跳数来进行配置自身的层级，在分层的网络中sink节点的层级为0，距离sink节点的跳数越少传感器节点的层级就越小，反之层级越大。

二、握手阶段：设置计时器，由接收节点发起一个控制帧与多个节点进行握手并且交互收发节点的ID、层级及位置等信息，并在计时器超时前统计SN响应的节点数量；接收节点根据握手成功节点的数量，并且与各发送节点的距离与数据包大小来规划来自不同节点数据的接收调度时间；从而实现多个发送节点对一个接收节点的数据并发传输，从而提高了通信效率。同时该协议有效地避免了节点间的数据碰撞，解决了隐藏终端和时空不确定性问题，降低了报文重传。具体步骤如下：

2.1、设置计时器Timer，同时广播一个RTR(ready-to-receive)报文，其目的是告知邻居节点它准备接收数据及Timer时长，；计时器确保Timer期间能够接收到所有处于接收节点传输范围内有数据要发送的节点的握手控制帧；计时器超时前进行统计给自己发送了响应控制帧的节点数量；

计时器Timer的计算公式为：

Timer＝2T_{pd_max}+2θ+Rand()；

式中，Rand()是0～1之间的一个随机时间间隔，θ表示控制报文的传输时延。T_{pd_max}是单程空间最大传播时延，即发送报文到邻居节点最大传输范围的时间，公式所下：

式中，d_max为接收节点最大传输范围，v是声波在水中的传播速度。

2.2、当邻居节点收到来自接收节点的RTR报文后，首先需要判断自身层级L_s与接收节点层级L_r的关系，若L_r≥L_s，则节点丢弃该RTR报文并保持静默；若L_r<L_s，则邻居节点侦听信道。然后判断是否检测到干扰信号；若未检测到干扰信号，则立刻向接收节点发送一个SN(Send Notification)报文，SN报文中含有目的地址、源地址、节点ID、节点层级、节点位置；若检测到干扰信号，则推迟传输。

2.3、接收节点在一次握手过程中收到了来自多个不同发送节点的发送通知SN帧后，根据发送节点的个数、接收节点与各发送节点的距离及各发送节点数据的长度，接收节点给有数据要发送给自己的各发送节点分配不同的接收调度时间，将所分配的接收调度时间封装到ORDER帧中并以广播形式发送，让完成握手的发送节点有序地发送数据；保证了在接收数据的过程中不发生冲突。

三、传输阶段：广播完ORDER帧后节点进入调度数据传输阶段，发送节点收到ORDER帧后，根据接收节点分配给自己数据的接收调度时间后进行计算自己发送数据时间，并将自己的数据在所计算的发送时间点上发送给接收节点，以保证所发送的数据能在指定的接收时间点到达接收节点处，之后等待接收ACK确认帧；这样就实现了多个发送节点对一个接收节点的并发传输。

如图2所示，节点C收到来自多个不同节点的发送通知SN后，将节点A、B、E、D的数据接收时间封装到ORDER报文并进行广播。节点A、B、E、D收到接收节点C广播的ORDER报文后开始计算自己数据包的发送时间并且在所计算的时间点上发送接收节点。

设接收节点有H个邻居节点，H＝K+Q；其中K个邻居节点的层级是小于自身层级；Q个邻居节点的层级是大于或等于自身层级，记这类节点为干扰节点；接收节点从K个邻居节点中接收第一个发送节点的数据包的时间为T_{r_1}＝θ+2T_{pd_1}+δ，其中δ表示数据包的传输时延，T_{pd_1}表示第一个发送节点的传播时延；为了保证两个数据包在接收处不冲突，接收两个数据包之间设置一个保护时间T_guard，则接收第二个发送节点的数据包的接收时刻为，如下式所示：

T_{r_2}＝T_{r_1}+T_guard+δ；

接收第三个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_3}＝T_{r_1}+2(T_guard+δ)；

接收第n个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_n}＝T_{r_1}+(n+1)×(T_guard+δ),n∈[1,K]；

发送节点收到接收节点发来的ORDER报文后，根据接收时间计算各自的发送时间；则第一个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_1}＝T_{r_1}-T_{pd_1}；

第二个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_2}＝T_{r_2}-T_{pd_2}；

第n个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

仿真与分析

基于NS-3仿真平台进行仿真水下环境来评估所提出CS-MAC协议的性能。仿真环境由一个sink节点和多个水下传感节点组成的多跳分层水声网络。sink节点以静止的形式部署在水面，其它节点随机均匀部署在水下三维区域内。仿真参数设置如表1所示。

表1仿真参数

本实施例采用数据交付率、端到端延时、吞吐量以及能耗来评估协议性能。如图3表示在不同发包间隔下对ALOHA、LSPB-MAC以及CS-MAC协议的网络吞吐量进行对比，节点数量设置为30个，数据包大小设置为134字节，发包间隔取值为10s，20s，30s，40s，50s，60s，70s，80s，其它参数如表1所示。从图中可看出，在不同发包间隔下CS-MAC协议的网络吞吐量高于ALOHA协议和LSPB-MAC协议。

如图4表示在不同节点数量下对ALOHA、LSPB-MAC以及CS-MAC协议的端到端延时做对比，节点数量设置为20个，30个，40个，50个，60个，70个，数据包大小设置为134字节，其它参数如表1所示。从图中能看出，取不同节点数量时CS-MAC协议的端到端延时在1.79s-1.90s范围内波动，与ALOHA和LSPB-MAC协议相比，CS-MAC协议的端到端延时较低。

如图5表示在不同节点数量下对ALOHA、LSPB-MAC以及CS-MAC协议的交付率做对比，节点数量设置为20个，30个，40个，50个，60个，70个，数据包大小设置为134字节，其它参数如表1所示。从图中能看出，取20个节点数时CS-MAC协议的交付率低于LSPB-MAC协议的交付率，高于ALOHA协议的交付率；当节点数取30-60个时CS-MAC协议的交付率高于ALOHA、LSPB-MAC协议的交付率；当节点数取70个时CS-MAC协议的交付率与LSP B-MAC协议的交付率趋于相同。

如图6表示在不同数据率下对R-MAC、slotted-FAMA以及CS-MAC协议的网络吞吐量做对比，节点数量设置为35个，数据包大小设置为200字节，其它参数如表1所示。从图中能看出，在不同数据率下CS-MAC协议的整体网络吞吐量高于R-MAC协议和slotted-FAMA协议。

如图7表示节点数目对总能耗的影响。在发包间隔、数据量等参数一致的条件下，设置不同节点个数与声波信号强度来进行评估网络总能耗。从图中可以看出，随着节点数目的增加网络总能耗也随之增加。

本实施例根据水声网络的特性及存在的挑战提出了适用于水声网络的CS-MAC。CS-MAC协议中接收节点可通过广播一个RTR控制帧与多个发送节点进行握手，通过握手控制帧来交互收发节点的位置、层级信息以及接收数据的调度时间，从而实现多个发送节点对一个接收节点的并发传输，并且解决了隐藏终端和时空不确定性问题。仿真实验表明，CS-MAC协议的网络吞吐量优于ALOHA、R-MAC、slotted-FAMA及LSPB-MAC协议，CS-MAC协议的数据包交付率高于ALOHA和LSPB-MAC协议，CS-MAC协议的端到端延时低于ALOHA和LSPB-MAC协议。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、网络初始化阶段：

二、握手阶段：设置计时器，由接收节点发起一个控制帧与多个节点进行握手并且交互收发节点的ID、层级及位置等信息，并在计时器超时前统计SN响应的节点数量；接收节点根据握手成功节点的数量，并且与各发送节点的距离与数据包大小来规划来自不同节点数据的接收调度时间；

三、传输阶段。

2.根据权利要求1所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：网络初始化阶段时，进行节点分层，使网络中的每个节点都维护着一个动态邻居表，邻居表中记录一跳邻居节点的ID、层级、老化时间以及位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：节点分层的方法为：sink节点向全网广播hello报文，每个节点收到hello控制报文后，获取自身的层级，根据距离sink节点的跳数来进行配置自身的层级。

4.根据权利要求3所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：握手阶段步骤如下：

2.1、设置计时器Timer，同时广播一个RTR报文；计时器确保Timer期间能够接收到所有处于接收节点传输范围内有数据要发送的节点的握手控制帧；计时器超时前进行统计给自己发送了响应控制帧的节点数量；

2.2、当邻居节点收到来自接收节点的RTR报文后，首先需要判断自身层级L_s与接收节点层级L_r的关系，然后判断是否检测到干扰信号；

2.3、接收节点在一次握手过程中收到了来自多个不同发送节点的发送通知SN帧后，根据发送节点的个数、接收节点与各发送节点的距离及各发送节点数据的长度，接收节点给有数据要发送给自己的各发送节点分配不同的接收调度时间，将所分配的接收调度时间封装到ORDER帧中并以广播形式发送，让完成握手的发送节点有序地发送数据。

5.根据权利要求4所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：计时器Timer的计算公式为：

Timer＝2T_{pd_max}+2θ+Rand()；

式中，Rand()是0～1之间的一个随机时间间隔，θ表示控制报文的传输时延。T_{pd_max}是单程空间最大传播时延，即发送报文到邻居节点最大传输范围的时间，公式所下：

式中，d_max为接收节点最大传输范围，v是声波在水中的传播速度。

6.根据权利要求5所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：步骤2.2中，若L_r≥L_s，则节点丢弃该RTR报文并保持静默；若L_r<L_s，则邻居节点侦听信道。

7.根据权利要求6所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：步骤2.2中，若未检测到干扰信号，则立刻向接收节点发送一个SN报文，SN报文中含有目的地址、源地址、节点ID、节点层级、节点位置；若检测到干扰信号，则推迟传输。

8.根据权利要求7所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：传输阶段中，广播完ORDER帧后节点进入调度数据传输阶段，发送节点收到ORDER帧后，根据接收节点分配给自己数据的接收调度时间后进行计算自己发送数据时间，并将自己的数据在所计算的发送时间点上发送给接收节点，之后等待接收ACK确认帧；这样就实现了多个发送节点对一个接收节点的并发传输。

9.根据权利要求8所述的一种水声网络多对一并行传输MAC协议的实现方法，其特征在于：传输阶段中，设接收节点有H个邻居节点，H＝K+Q；其中K个邻居节点的层级是小于自身层级；Q个邻居节点的层级是大于或等于自身层级，记这类节点为干扰节点；接收节点从K个邻居节点中接收第一个发送节点的数据包的时间为T_{r_1}＝θ+2T_{pd_1}+δ，其中δ表示数据包的传输时延，T_{pd_1}表示第一个发送节点的传播时延；为了保证两个数据包在接收处不冲突，接收两个数据包之间设置一个保护时间T_guard，则接收第二个发送节点的数据包的接收时刻为，如下式所示：

T_{r_2}＝T_{r_1}+T_guard+δ；

接收第三个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_3}＝T_{r_1}+2(T_guard+δ)；

接收第n个发送节点的数据包的接收时刻，如下式所示：

T_{r_n}＝T_{r_1}+(n+1)×(T_guard+δ),n∈1,K；

发送节点收到接收节点发来的ORDER报文后，根据接收时间计算各自的发送时间；则第一个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_1}＝T_{r_1}-T_{pd_1}；

第二个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

T_{s_2}＝T_{r_2}-T_{pd_2}；

第n个邻居节点的发送时刻为，如下式所示：

Images