CN114827930B - 水声传感网中基于中继接入mac协议的数据采集方法 - Google Patents

水声传感网中基于中继接入mac协议的数据采集方法 Download PDF

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CN114827930B CN202210300983.5A CN202210300983A CN114827930B CN 114827930 B CN114827930 B CN 114827930B CN 202210300983 A CN202210300983 A CN 202210300983A CN 114827930 B CN114827930 B CN 114827930B
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Abstract

本发明公开了一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法。在数据采集型的水声传感网中，水底层的传感节点需将数据经由水中层的中继节点转发至水面的浮标节点，当传感节点流量不同，中继节点承担了不同的流量负载，导致中继节点之间能耗不均衡，并且由于声波在水中的传播速度低，频繁的握手降低了数据传输效率。针对上述问题，本发明综合考虑了中继节点的位置信息和剩余能量信息，传感节点为其邻居中继节点计算转发优先级，将转发路径的确定过程与握手过程结合，降低了路由开销并缓解能耗不均衡问题，而中继节点和浮标节点在接收数据前为各个发送节点计算发送数据的时刻，并在握手过程加入了功率控制，提高了接收效率和能耗效率。

Description

水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法
技术领域
本发明涉及水声传感网通信技术领域，具体涉及一种水声传感中基于中继接入MAC协议的数据采集方法。
背景技术
水声传感网是水声通信中研究课题之一，水声传感网的应用十分广泛，例如水下环境监测、灾害预警、海底资源探测等等。
数据采集是水声传感网中的一项重要应用，在水声传感网中，位于水底层的传感节点将产生的数据交由位于水中层的中继节点转发至位于水面的浮标节点，浮标节点采集数据后通过电磁波把数据传输到水岸控制中心，由控制中心负责数据分析。水声传感网中节点均以电池供电，能量受限严重，为节点补充能量是一种成本较高的维护行为，因此在水声传感网的运行过程中需要考虑能量效率。在数据采集过程中，传感节点使用静态路由的方式选择中继节点转发数据时，当中继节点负责的流量不同而导致能耗不同，业务流量较大的中继节点因能耗更大而更快失去作用，进而影响整体的工作效率；如果使用非静态的路由方式则需要路由发现去确定转发路径。另外，竞争握手型MAC(Medium AccessControl)协议中，由于声波在水中的传播速度低，握手过程往往需要较长的时间才能完成，多次的握手会显著降低数据的传输效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法。该数据采集方法中传感节点可以根据邻居中继节点的位置信息和能量信息，为其邻居中继节点计算转发优先级，选择转发优先级最高的中继节点将数据转发至水面浮标节点，在这过程中将转发路径的确定过程与握手过程结合，降低了路由开销并缓解能耗不均衡问题，在这过程中接收节点可以通过一次握手接收多个发送节点的数据，从而提高了水声传感网的网络吞吐量，并且发送节点通过握手控制的交互调整发送数据的功率，降低水声传感网的能耗。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种水声传感网中基于中继接入的数据采集方法，应用于这样场景的水声传感网：所述水声传感网包括若干个位于水底层负责产生数据的传感节点、若干个位于水中层负责转发数据的中继节点和一个位于水面负责采集数据的浮标节点；所有中继节点之间、以及所有中继节点和浮标节点之间的数据传输均一跳可达，浮标节点在所有传感节点的传输范围外；水声传感网中所有节点在传输数据前通过交互握手请求信令RTS和握手确认信令CTS竞争信道资源，以下分别简称RTS和CTS，对于任意节点收到不是发给自己的握手请求信令和握手确认信令，以下分别简称为xRTS和xCTS；具体的数据采集方法步骤如下：
S1、水声传感网的所有节点被布放启动后均进入初始化状态，通过两个时隙进行初始化，在第一个时隙，浮标节点广播定位信令，在第二个时隙，所有中继节点广播HELLO信令；在第二个时隙结束后，水声传感网中所有节点完成初始化并进入空闲状态；
S2、水声传感网初始化完成后，传感节点的工作如下：
S2.1、当传感节点未产生数据时则保持空闲状态；当传感节点产生数据后进入工作状态，计算该传感节点每个邻居中继节点的转发优先级，将自己的MAC地址、转发优先级最高的中继节点的MAC地址、发送时间戳以及所要发送数据的长度嵌入到RTS中，在时隙开始时刻发送该RTS，如果在下一个时隙结束前未收到目标中继节点的CTS则进行二进制指数退避，退避结束后重发该RTS；如果传感节点收到目标中继节点的CTS，则根据CTS调整自己发送数据的功率和发送数据的时刻，将数据发送至目标中继节点，完成数据发送后转为空闲状态；
S2.2、当传感节点收到中继节点的xCTS，则读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout；传感节点退避结束后，如果二进制指数退避未结束则继续退避，否则进入空闲状态；
S3、水声传感网初始化完成后，中继节点的工作如下：
S3.1、当中继节点处于空闲状态时如果在当前时隙内收到xRTS，则在这个时隙结束后保持空闲状态，如果在当前时隙内只收到传感节点的RTS，则记录收到各个RTS时的SNR并进入工作状态，转至S3.2；当中继节点处于空闲状态时收到来自其它中继节点的xCTS或浮标节点的xCTS时进入工作状态，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，退避结束后转至S3.5；当中继节点处于工作状态时如果收到传感节点的RTS，则缓存起来并记录收到该RTS时的SNR，如果收到传感节点的xRTS，则忽略；
S3.2、中继节点的数据缓存为空，根据RTS建立或更新邻居传播时延表，计算各个传感节点发送数据的时刻，在下一个时隙开始时刻广播CTS，然后等待接收传感节点的数据；当中继节点完成接收数据后，如果在下一个时隙结束前未收到协调通知信令NTF，以下简称NTF，则转至S3.3，否则转至S3.4；
S3.3、中继节点的数据缓存非空，将自己的MAC地址、浮标节点的MAC地址、发送时间戳、所要传输数据的长度以及剩余能量嵌入到RTS中，在时隙开始时刻发送该RTS，在下一个时隙内接收浮标节点CTS，根据CTS调整自己发送数据的功率和发送数据的时刻，将数据发送至浮标节点；当中继节点完成发送数据后，转至S3.5；
S3.4、接收来自其它中继节点xCTS，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，退避结束后，进行以下判断：
当中继节点的数据缓存非空时，如果在下一个时隙结束前未收到NTF，则转至S3.3，否则转至S3.4；
当中继节点的数据缓存为空时，转至S3.5；
S3.5、中继节点的数据缓存为空，进行以下判断：
如果当前的RTS缓存非空，则将RTS的缓存数量与本节点的ID嵌入到NTF中，在时隙开始时刻广播该NTF，判断自己能否接收数据，如果可以接收数据则转至S3.2，如果不可以接收数据则转至S3.4；
如果当前的RTS缓存为空，则如果在下一个时隙结束前未收到NTF，则进入空闲状态，如果在下一个时隙结束前收到NTF，则转至S3.4；
S4、水声传感网初始化完成后，当浮标节点收到中继节点的RTS，则记录收到各个RTS时的SNR并进入工作状态，根据RTS建立或更新邻居传播时延表，计算各个中继节点发送数据的时刻，在下一个时隙开始时刻广播CTS，然后等待接收中继节点的数据；当浮标节点完成接收数据后进入空闲状态。
进一步地，在步骤S1的初始化过程中，浮标节点广播定位信令是为配合所有中继节点获取浮标节点的MAC地址，同时为中继节点计算自身与浮标节点之间的距离，浮标节点将发送时间戳嵌入定位信令，中继节点收到定位信令后记录接收时间戳，通过时间差计算得到自己与浮标节点之间的距离，公式如下：
其中，水声传感网中所有中继节点的集合为R，ri是集合R中编号为i的中继节点，是中继节点ri与浮标节点的距离，/>是中继节点ri接收定位信令的时刻，t0是浮标节点发送定位信令的时刻，v0是声信号在水中的传播速度。
进一步地，在步骤S1的初始化过程中，中继节点广播HELLO信令是为传感节点获取其邻居中继节点的位置信息和剩余能量信息，中继节点将自己与浮标节点的距离信息和剩余能量信息嵌入HELLO信令，传感节点收到HELLO信令后，建立邻居中继至浮标距离表，以下简称TabletoSink，和邻居中继剩余能量表，以下简称Tableenergy，将每个邻居中继节点的MAC地址以及相应的至浮标节点距离存入TabletoSink中，将每个邻居中继节点的MAC地址以及相应的剩余能量存入Tableenergy中，传感节点完成建立TabletoSink和Tableenergy后，用于后续计算邻居中继节点的转发优先级。
进一步地，在步骤S2.1中，传感节点在产生数据后进入工作状态，计算每个邻居中继节点的转发优先级，选择转发优先级最高的中继节点转发数据，邻居中继节点转发优先级的计算方式如下：
水声传感网中所有传感节点的集合为S，sj是集合S中编号为j的传感节点，sj的邻居中继节点数量为Nj，设是sj的其中一个邻居中继节点，sj读取自己的邻居中继至浮标距离表/>和邻居中继剩余能量表/>的信息，计算/>的转发优先级，公式如下：
其中，α1、α2表示第一、第二权重参数，是/>中的最小值，/>是/>中的最大值，/>是中继节点/>的MAC地址，/>和/>分别是中继节点/>至浮标节点的距离和剩余能量。
进一步地，随着水声传感网的持续运作，中继节点的剩余能量逐步减少，中继节点将其剩余能量信息嵌入到RTS中，传感节点收到其邻居中继节点的xRTS后，读取其中的剩余能量字段，并更新Tableenergy中对应的中继节点的剩余能量。
进一步地，中继节点和浮标节点作为接收节点为发送节点计算发送数据时刻的过程如下：
接收节点收到发送节点的RTS后记录接收时间戳，用当前接收RTS的时刻减去RTS中的发送时间戳的发送时刻得到发送节点和接收节点之间的传播时延，将发送节点的MAC地址以及相应的传播时延存入接收节点的邻居传播时延表，以下简称Tableprop；
设接收节点缓存的RTS数量为Ktotal，接收节点为Ktotal个发送节点安排发送数据的顺序与RTS的到达顺序一致，顺序为第k的发送节点发送数据时刻的计算如下：
其中，Ttx,k是发送顺序为第k的发送节点的发送数据时刻，k大于等于1小于等于发送节点数量Ktotal，Tout是信道繁忙时间，Lengthdata,x是发送顺序为第x的发送节点所要传输数据的长度，Tguard是容错时间，Addressk是发送顺序为第k的发送节点的MAC地址，Addressk＝1是发送顺序是第一的发送节点的MAC地址，Tableprop[Addressk＝1]和Tableprop[Addressk]分别是发送顺序为第一和第k的发送节点的传播时延。
进一步地，在步骤S3.2和S4中，中继节点和浮标节点作为接收节点为各个发送节点计算发送数据的时刻，并将该计算结果、信道繁忙时间Tout以及记录收到各个RTS时的SNR一同嵌入CTS中，广播CTS后为各个发送节点调整发送数据的功率和发送数据的时刻。
进一步地，在步骤S2.1和S3.3中，传感节点和中继节点作为发送节点记录收到CTS时的SNR，并调整发送数据的功率，调整公式如下：
Psend_data＝Padjust+Perror
Padjust＝P0-[Min(SNR1，SNR2)-SNRmin]
其中，Psend_data是数据发送功率，Padjust是调整功率，Perror是容错功率，P0是声学调制解调器的固定发送功率，SNR1和SNR2分别是接收节点接收RTS和发送节点接收CTS的信噪比，SNRmin是确保数据被正确接收的最小信噪比。
进一步地，在步骤S2.2、S3.1和S3.4中，传感节点和中继节点收到xCTS说明当前的信道资源被其它节点占用，占用的时间由收到该xCTS下一个时隙开始持续Tout时间，在这段时间中为了避免产生冲突，收到该xCTS的传感节点和中继节点均退避。
进一步地，在步骤S3.5中，中继节点的数据缓存为空而当前的RTS缓存非空，在时隙开始时刻广播NTF，在时隙结束后进行判断：如果在时隙结束前没有收到其它中继节点的NTF，说明当前没有其它中继节点需要接收数据，则自己在下个时隙开始时刻广播CTS接收传感节点的数据；如果在时隙结束前收到其它中继节点的NTF，则中继节点进行统一规则判断是否可以接收数据，所述统一规则是：缓存RTS数量最多的中继节点优先接收数据，如果缓存RTS的数量一样则节点ID较小的中继节点优先接收数据，缓存RTS的数量越多，体现了该中继节点承担了越大的流量负载，该规则的目的是让数据负载更多的中继节点先接收数据。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明中，传感节点通过统计邻居中继节点的位置信息和能量信息，在每次发送数据前计算邻居中继节点的转发优先级，综合考虑了邻居中继节点至浮标节点的距离和剩余能量，选择转发优先级最高的中继节点转发数据，从而使得中继节点的能量均衡趋向均衡，并减少了传感节点路由发现的开销，水声传感网的中继节点和浮标节点作为接收节点时可以接收并缓存多个RTS，为各个发送节点计算发送数据的时刻，实现一次握手多次数据传输，有效提高了水声传感网的吞吐量，同时保证了传输可靠性，水声传感网的传感节点和中继节点作为发送节点时，通过统计RTS和CTS握手控制信令的信噪比信息调整了数据发送功率，有效提高了能量效率，延长水声传感网的工作寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明公开的一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法的流程图；
图2是本发明公开的一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法的网络模型图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明的一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法适用的一种网络模型如图2所示，水声传感网中有三类节点，分别是：位于水底层负责产生数据的传感节点、位于水中层负责转发数据的中继节点和位于水面负责采集数据的浮标节点；水声传感网中含若干个传感节点、若干个中继节点和一个浮标节点；所有中继节点之间、所有中继节点和浮标节点之间的数据传输均一跳可达，浮标节点在所有传感节点的传输范围外。设水声传感网中中继节点的集合为R＝{B1,B2,B3}，传感节点的集合为S＝{A1,A2,A3,A4,A5,A6}，水声的传播速度为1500m/s，数据包大小为2048字节，水声调制解调器的调制速率为9600bps，容错时间是0.05s，容错功率为0.001dB，数据被正确接收的最小信噪比为10dB，具体地，整个方法包括以下步骤：
S1、水声传感网的所有节点被布放启动后均进入初始化状态，通过两个时隙进行初始化，在第一个时隙，浮标节点C广播定位信令，中继节点B1、B2和B3收到定位信令后计算自己与浮标节点之间的距离，计算方式如下：浮标节点将发送时间戳嵌入定位信令，中继节点收到定位信令后记录接收时间戳，通过时间差计算得到自己与浮标节点之间的距离，公式如下：
其中，ri是集合R中编号为i的中继节点，是中继节点ri与浮标节点的距离，/>是中继节点ri接收定位信令的时刻，t0是浮标节点发送定位信令的时刻，v0是声信号在水中的传播速度，
在第二个时隙，所有中继节点广播HELLO信令，传感节点收到HELLO信令后，建立邻居中继至浮标距离表TabletoSink和邻居中继剩余能量表Tableenergy；所有节点初始化完成后进入空闲状态；
水声传感网初始化完成后，传感节点的工作如下：
当传感节点未产生数据时则保持空闲状态；当传感节点产生数据后进入工作状态，计算其每个邻居中继节点的转发优先级，计算方法如下：其中，当A3进入工作状态，A3的邻居中继节点为B1和B2，B1和B2的MAC地址分别是AddressB1和AddressB2，A3读取其邻居中继至浮标距离表和邻居中继剩余能量表/>的信息，设B1和B2至浮标节点的距离分别是：
设B1和B2的剩余能量分别是： 计算B1和B2的转发优先级，令第一权重参数α1＝0.1，第二权重参数α2＝0.9，B1和B2的转发优先级PriorityB1和PriorityB2计算公式分别如下：
计算得到PriorityB1大于PriorityB2，则A3将自己的MAC地址、中继节点B1的MAC地址、发送时间戳以及所要发送数据的长度嵌入到RTS中，其中数据长度为数据包的传输时延Lengthdata,A3＝2048×8÷9600＝1.706s，在时隙开始时刻发送该RTS，如果在下一个时隙结束前未收到B1的CTS则进行二进制指数退避，退避结束后重发该RTS；如果传感节点收到B1的CTS，则A3读取CTS找到自己相应的发送数据时刻，在收到CTS的下一个时隙开始启动内置的定时器定时至该时刻，定时器一旦超时就立即发送数据，并且，A3记录收到该CTS时的SNR，根据CTS调整自己发送数据的功率，将数据发送至B1，完成数据发送后转为空闲状态；
其中，在B1广播CTS后，A1和A2收到了B1的xCTS，则读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段记录的信道繁忙时间Tout，此Tout是指B1占用信道使信道繁忙时间；A1和A2根据Tout退避结束后进入空闲状态。
水声传感网初始化完成后，中继节点的工作如下：
B2收到A3的xRTS后，保持空闲状态，B1收到A3的RTS记录收到RTS时的SNR和接收时间戳并进入工作状态，用当前接收RTS的时刻减去RTS中的发送时间戳的发送时刻得到A3和B1之间的传播时延，将A3的MAC地址以及相应的传播时延存入B1的邻居传播时延表中，A3的MAC地址为AddressA3，令A3的传播时延/> A3的数据长度Lengthdata,A3＝1.706s，B1数据缓存为空，计算A3发送数据的时刻，计算方式如下：
B1缓存的RTS数量为1，A3是顺序为第k＝1同时也是唯一的发送节点，A3发送数据时刻Ttx,k＝1的计算如下：
Ttx,k＝1＝1.157+(1-1)×0.05-1.157＝0
Tout＝1.157+1.706+(1-1)×0.05＝2.863s
计算完成后，B1在下一个时隙开始时刻广播该CTS，然后等待接收A3的数据，而B2和B3收到B1的xCTS后，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，此处Tout是B1占用信道使信道繁忙的时间；
在B1结束占用信道后，B1完成接收A3的数据，B2缓存RTS的数量为空，而B3收到并缓存了A6的RTS，则B3将自己的缓存RTS的数量和节点ID嵌入NTF中，并在下一个时隙开始时刻广播出去，然后B3根据邻居传播时延表为A6计算发送数据的时刻，A6的MAC地址为AddressA6，令A6的传播时延为/>B3缓存的RTS数量为1，A6是顺序为第k＝1同时也是唯一的发送节点，数据长度Lengthdata,A6＝2048×8÷9600＝1.706s，A6是顺序为第k＝1同时也是唯一的发送节点，A6发送数据时刻Ttx,k＝1的计算如下：
Ttx,k＝1＝1.197+(1-1)×0.05-1.197＝0
Tout＝1.197+1.706+(1-1)×0.05＝2.903s
B3在下一个时隙开始时刻广播CTS，然后等待接收A6的数据，而B1和B2收到B3的xCTS后，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，此处Tout是B3占用信道使信道繁忙的时间；
在B3结束占用信道后，B3完成接收A6的数据，B1和B3的数据缓存非空，而B2缓存RTS的数量为空，在下一个时隙结束前，B1和B3未收到B2广播的NTF，则分别将自己的MAC地址、浮标节点C的MAC地址、发送时间戳、所要传输数据的长度以及剩余能量嵌入到RTS中，在时隙开始时刻发送该RTS，在下一个时隙内接收浮标节点C的CTS，B1和B3分别读取CTS找到自己相应的发送数据时刻，在收到CTS的下一个时隙开始启动内置的定时器定时至该时刻，定时器一旦超时就立即发送数据，并根据CTS调整自己发送数据的功率和发送数据的时刻，将数据发送至浮标节点C，而B2收到浮标节点C的xCTS后，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，此Tout是浮标节点C占用信道使信道繁忙的时间；
在浮标节点C结束占用信道后，B1、B2和B3均在下一个时隙结束前没有收到NTF，则进入空闲状态。
水声传感网初始化完成后，当浮标节点C收到中继节点B1和B3的RTS，则记录收到各个RTS时的SNR并进入工作状态，根据RTS建立邻居传播时延表，B1和B3的MAC地址分别是AddressB1和AddressB3，B1和B3与浮标节点C的传播时延分别是： B1和B3的数据长度分别是：Lengthdata，B1＝1.706s，Lengthdata，B3＝1.706s，B1是顺序为第k＝1，B3是顺序为第k＝2，则B1和B3分别发送数据的时刻Ttx，k＝1和Ttx，k＝2分别是：
Ttx，k＝1＝1.208+(1-1)×0.05-1.208＝0s
Ttx，k＝2＝1.208+1.706+(2-1)×0.05-1.271＝1.693s
Tout＝1.208+1.706+1.706+(2-1)×0.05＝4.67s
浮标节点C在下一个时隙开始时刻广播该CTS，然后等待接收中继节点的数据；当浮标节点完成接收数据后进入空闲状态。
其中，当B1和B3向浮标节点C发送RTS时，传感节点A1、A2和A3收到B1的xRTS，传感节点A5和A6收到B3的xRTS，均读取其中的剩余能量字段并更新邻居中继剩余能量表。
其中，当传感节点和中继节点作为发送节点时，发送节点记录收到CTS时的SNR，并调整发送数据的功率，调整公式如下：
Psend_data＝Padjust+Perror
Padjust＝P0-[Min(SNR1，SNR2)-SNRmin]
其中，Psend_data是数据发送功率，Padjust是调整功率，Perror是容错功率，P0是声学调制解调器的固定发送功率，SNR1和SNR2分别是接收节点接收RTS和发送节点接收CTS的信噪比，SNRmin是确保数据被正确接收的最小信噪比。
例如，设浮标节点C收到B1和B3的RTS时记录的信噪比分别是13.407dB和11.069dB，B1和B3分别收到浮标节点C的CTS时记录的信噪比是13.318dB和11.102dB，则B1和B3发送数据的功率分别调整为：
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，所述水声传感网包括若干个位于水底层负责产生数据的传感节点、若干个位于水中层负责转发数据的中继节点和一个位于水面负责采集数据的浮标节点，所有中继节点之间、以及所有中继节点和浮标节点之间的数据传输均一跳可达，浮标节点在所有传感节点的传输范围外；水声传感网中所有节点在传输数据前通过交互握手请求信令RTS和握手确认信令CTS竞争信道资源，以下分别简称RTS和CTS，对于任意节点收到不是发给自己的握手请求信令和握手确认信令，以下分别简称为xRTS和xCTS；所述数据采集方法包括以下步骤：
S1、水声传感网的所有节点被布放启动后均进入初始化状态；
S2、水声传感网初始化完成后，传感节点的工作如下：
S2.1、当传感节点未产生数据时则保持空闲状态；当传感节点产生数据后进入工作状态，计算该传感节点每个邻居中继节点的转发优先级，将自己的MAC地址、转发优先级最高的中继节点的MAC地址、发送时间戳以及所要发送数据的长度嵌入到RTS中，在时隙开始时刻发送该RTS，如果在下一个时隙结束前未收到目标中继节点的CTS则进行二进制指数退避，退避结束后重发该RTS；如果传感节点收到目标中继节点的CTS，则根据CTS调整自己发送数据的功率和发送数据的时刻，将数据发送至目标中继节点，完成数据发送后转为空闲状态；
S2.2、当传感节点收到中继节点的xCTS，则读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，传感节点退避结束后，如果二进制指数退避未结束则继续退避，否则进入空闲状态；
S3、水声传感网初始化完成后，中继节点的工作如下：
S3.1、当中继节点处于空闲状态时如果在当前时隙内收到xRTS，则在这个时隙结束后保持空闲状态，如果在当前时隙内只收到传感节点的RTS，则记录收到各个RTS时的信噪比，以下简称SNR，并进入工作状态，转至S3.2；当中继节点处于空闲状态时收到来自其它中继节点的xCTS或浮标节点的xCTS时进入工作状态，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，退避结束后转至S3.5；当中继节点处于工作状态时如果收到传感节点的RTS，则缓存起来并记录收到该RTS时的SNR，如果收到传感节点的xRTS，则忽略；
S3.2、中继节点的数据缓存为空，根据RTS建立或更新邻居传播时延表，计算各个传感节点发送数据的时刻，在下一个时隙开始时刻广播CTS，然后等待接收传感节点的数据；当中继节点完成接收数据后，如果在下一个时隙结束前未收到协调通知信令，以下简称NTF，则转至S3.3，否则转至S3.4；
S3.3、中继节点的数据缓存非空，将自己的MAC地址、浮标节点的MAC地址、发送时间戳、所要传输数据的长度以及剩余能量嵌入到RTS中，在时隙开始时刻发送该RTS，在下一个时隙内接收浮标节点CTS，根据CTS调整自己发送数据的功率和发送数据的时刻，将数据发送至浮标节点；当中继节点完成发送数据后，转至S3.5；
S3.4、接收来自其它中继节点xCTS，读取其中的信道繁忙时间字段并在下一个时隙开始退避该字段中记录的信道繁忙时间Tout，退避结束后，进行以下判断：
当中继节点的数据缓存非空时，如果在下一个时隙结束前未收到NTF，则转至S3.3，否则转至S3.4；
当中继节点的数据缓存为空时，转至S3.5；
S3.5、中继节点的数据缓存为空，进行以下判断：
如果当前的RTS缓存非空，则将RTS的缓存数量与本节点的ID嵌入到NTF中，在时隙开始时刻广播该NTF，判断自己能否接收数据，如果可以接收数据则转至S3.2，如果不可以接收数据则转至S3.4；
如果当前的RTS缓存为空，则如果在下一个时隙结束前未收到NTF，则进入空闲状态，如果在下一个时隙结束前收到NTF，则转至S3.4；
S4、水声传感网初始化完成后，当浮标节点收到中继节点的RTS，则记录收到各个RTS时的SNR并进入工作状态，根据RTS建立或更新邻居传播时延表，计算各个中继节点发送数据的时刻，在下一个时隙开始时刻广播CTS，然后等待接收中继节点的数据；当浮标节点完成接收数据后进入空闲状态。
2.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，所述步骤S1中初始化过程如下：
通过两个时隙进行初始化，在第一个时隙，浮标节点广播定位信令，所有中继节点收到定位信令后计算自己与浮标节点之间的距离，在第二个时隙，所有中继节点广播HELLO信令；所有节点初始化完成后进入空闲状态。
3.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，传感节点计算邻居中继节点转发优先级的过程如下：
在步骤S1中，浮标节点将发送时间戳嵌入定位信令，中继节点收到定位信令后记录接收时间戳，通过时间差计算得到自己与浮标节点之间的距离，公式如下：
其中，水声传感网中所有中继节点的集合为R，ri是集合R中编号为i的中继节点，是中继节点ri与浮标节点的距离，/>是中继节点ri接收定位信令的时刻，t0是浮标节点发送定位信令的时刻，v0是声信号在水中的传播速度；
在步骤S1中，中继节点将自己与浮标节点的距离信息和剩余能量信息嵌入HELLO信令，传感节点收到HELLO信令后，建立邻居中继至浮标距离表和邻居中继剩余能量表，以下分别简称TabletoSink和Tableenergy，将每个邻居中继节点的MAC地址以及相应的至浮标节点距离存入TabletoSink中，将每个邻居中继节点的MAC地址以及相应的剩余能量存入Tableenergy中；
水声传感网中所有传感节点的集合为S，sj是集合S中编号为j的传感节点，sj的邻居中继节点数量为Nj，设是sj的其中一个邻居中继节点，sj读取自己的邻居中继至浮标距离表/>和邻居中继剩余能量表/>的信息，计算/>的转发优先级，公式如下：
其中，α1、α2表示第一、第二权重参数，是/>中的最小值，是/>中的最大值，/>是中继节点/>的MAC地址，和/>分别是中继节点/>至浮标节点的距离和剩余能量；
当传感节点收到中继节点的xRTS，则读取其中的剩余能量字段并更新Tableenergy。
4.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，中继节点和浮标节点作为接收节点为发送节点计算发送数据时刻的过程如下：
接收节点收到发送节点的RTS后记录接收时间戳，用当前接收RTS的时刻减去RTS中的发送时间戳的发送时刻得到发送节点和接收节点之间的传播时延，将发送节点的MAC地址以及相应的传播时延存入接收节点的邻居传播时延表，以下简称Tableprop；
设接收节点缓存的RTS数量为Ktotal，接收节点为Ktotal个发送节点安排发送数据的顺序与RTS的到达顺序一致，顺序为k的发送节点发送数据时刻的计算如下：
其中，Ttx,k是发送顺序为第k的发送节点的发送数据时刻，k大于等于1小于等于发送节点数量Ktotal，Tout是信道繁忙时间，Lengthdata,x是发送顺序为第x的发送节点所要传输数据的长度，Tguard是容错时间，Addressk是发送顺序为k的发送节点的MAC地址，Addressk＝1是发送顺序是第一的发送节点的MAC地址，Tableprop[Addressk＝1]和Tableprop[Addressk]分别是发送顺序为1和k的发送节点的传播时延。
5.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，接收节点为各个发送节点计算发送数据的时刻，并将该计算结果、信道繁忙时间Tout以及记录收到各个RTS时的SNR一同嵌入CTS中。
6.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，发送节点记录收到CTS时的SNR，并调整发送数据的功率，调整公式如下：
Psend_data＝Padjust+Perror
Padjust＝P0-[Min(SNR1,SNR2)-SNRmin]
其中，Psend_data是数据发送功率，Padjust是调整功率，Perror是容错功率，P0是声学调制解调器的固定发送功率，SNR1和SNR2分别是接收节点接收RTS和发送节点接收CTS的信噪比，Min(SNR1,SNR2)为求最小值函数，SNRmin是确保数据被正确接收的最小信噪比。
7.根据权利要求1所述的水声传感网中基于中继接入MAC协议的数据采集方法，其特征在于，在步骤S3.5中，中继节点的数据缓存为空而当前的RTS缓存非空，在时隙开始时刻广播NTF，在时隙结束后进行判断：如果在时隙结束前没有收到其它中继节点的NTF，则自己在下个时隙开始时刻广播CTS接收传感节点的数据；如果在时隙结束前收到其它中继节点的NTF，则中继节点进行统一规则判断是否可以接收数据，其中，所述统一规则是：缓存RTS数量最多的中继节点优先接收数据，如果缓存RTS的数量一样则节点ID较小的中继节点优先接收数据。
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