CN116074890A - 基于自适应竞争窗口accw-mac协议的减少平均端到端时延方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应竞争窗口ACCW‑MAC协议的减少平均端到端时延方法，应用于准静态传感器网络的水声无线通信，包括1：对水声通信协议CW‑MAC进行仿真，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW_opt；2：利用测量往返时间法RTT计算各传感器节点与簇头节点的传播时延，对传播时延进行广播；3：在广播过程中引入ACCW机制，根据传播时延的差异自适应地调整节点的竞争窗口CW，并在ACCW机制中引入退避因子K₁、K₂，在竞争激烈、过渡、竞争缓和三个阶段动态地选取退避因子，从而为每个传感器节点更新竞争窗口CW。本发明在确保网络具有较高吞吐量的同时，提高节点随机接入信道的公平性。

Description

基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法。

背景技术

水下无线传感网络（UWSN）是由布放于海底的传感器、水下机器人及表面站等组成，通过声信号建立起来的一种无线通信网络。目前国内外 UWSN 研究主要集中在调制方式、网络协议、水声通信同步以及数据处理等问题。设计高效的节点接入退避协议是提高数据传输效率、保证水声网络正常工作的基础。由于 UWSN领域标准的不完整，在协议中每一层尤其是数据链路层中，实现节点对共享信道的接入设计任务艰巨。

目前，水声通信网络面临以下问题：长传播延时、可用带宽窄、节点数量大导致通信易失败、节点计算和存储能力有限、电源能量受限使得节点寿命较短。

适用于水下环境的CW-MAC协议包含虚拟载波监听机制和随机退避机制，采用一个预设的固定值作为当前网络的竞争窗口，在网络规模较小时，为各节点选用恒定的CW能够在减小数据包碰撞的同时，提高网络吞吐量，降低端到端时延。但是在节点较多的网络中，CW-MAC协议无法保证竞争节点接入信道的公平性，而且由于CW固定，一旦网络环境发生变化，极易产生信道拥堵或信道资源浪费，影响网络吞吐量。

而且水下声波的传播时延及波动远大于无线电波，许多借鉴陆地无线通信网络原理设计的水声传感器网络协议未能充分考虑和利用水声传播及其时延变化特性。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于自适应变化竞争窗口ACCW-MAC协议的减少水声传播时延方法，在确保网络具有较高吞吐量的同时，提高节点随机接入信道的公平性。

技术方案：本发明的基于自适应变化竞争窗口ACCW-MAC协议的减少水声传播时延方法，该方法应用于准静态传感器网络的水声无线通信，包括如下步骤：

步骤1：对水声通信协议CW-MAC进行仿真，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW_opt；

步骤2：利用测量往返时间法RTT计算全局传感器节点中各传感器节点与簇头节点的传播时延，通过邻居发现协议将各传感器节点与簇头节点的传播时延进行广播；

步骤3：在广播过程中引入ACCW机制，根据传播时延的差异自适应地调整节点的竞争窗口CW，并在ACCW机制中引入退避因子K₁、K₂，在竞争激烈、过渡、竞争缓和三个阶段动态地选取退避因子，从而为每个传感器节点更新竞争窗口CW。

进一步的，步骤1中，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW_opt具体包括如下步骤：

步骤1.1：通过仿真软件搭建准静态水声传感器网络模型，该网络包含N个传感器节点，随机分布在以簇头节点为中心的正方形区域内，每个传感器节点都可侦听到其他节点发送的数据包，设置传感器节点发送的数据包、通信速率和仿真时间；

步骤1.2：计算平均吞吐量TH _ave ：

式中，Num、PacketSize、t分别表示簇头节点成功接受到的数据包数、数据包大小和仿真时间，PacketSize×8表示单个数据包的位数；

步骤1.3：在准静态传感器网络中对CW-MAC协议进行仿真，传感器节点CW值从10逐渐增加至400，找到使得该网络平均吞吐量最大时候的CW，将其记作CW_opt；

步骤1.4：在验证基于水声传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议方法时，选取和步骤1.2相同的准静态水声传感器网络模型，为每个传感器节点初始化设置竞争窗口为CW_opt。

进一步的，其特征在于，所述仿真软件为NS-3。

进一步的，其特征在于，步骤2中，利用测量往返时间法RTT计算各传感器节点与簇头节点的传播时延，具体包括如下步骤：

步骤2.1：测量往返时间法RTT描述如下：首先节点S向节点R发送一个询问包，并保存自己的发包时间

，其中T=S表示在节点S的时间轴上，节点R收到询问包后，记录收包时间

，然后立即向节点S 发送应答包，在应答包中添加接收询问包时间和发送应答包时间

这两个时刻的时间戳，节点S 收到应答包后记录收包时间

，通过两节点收发时刻相减得出节点S和R之间的传播时延，见如下公式：

；

步骤2.2：参照步骤2.1的方法计算出准静态水声传感器网络中各传感器节点到簇头节点之间的传播时延，该传播时延的集合

，则各传感器节点到簇头节点的平均传播时延为：

其中n为准静态水声传感器网络中的传感器数目；

步骤2.3：簇头节点启动邻居发现协议，将平均传播时延D _ave 以及各传感器节点与它的传播时延

广播通知全网；

步骤2.4：各节点根据D _ave 和D _i 采用相应策略改变CW，当D _i ＜D _ave 时，传感器节点距离簇头节点近，采用积极的发送策略，参考D _ave 和D _i 的比例减小当前节点的竞争窗口值，缩短节点的退避时间，使其快速发送数据；当D _i ＞D _ave 时，传感器节点距离簇头节点远，采用保守的发送策略，增大当前竞争窗口值，按照预定的通信计划监听信道、等待发送数据。

进一步的，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：引入两个窗口阈值

、

将网络的竞争程度划分为竞争激烈、过渡以及竞争缓和三个阶段，

、

的取值分别为32、128；

步骤3.2：ACCW退避机制中引入退避因子K₁、K₂， 退避因子K₁的计算公式如下：

；退避因子K₂的计算公式如下：

；

步骤3.3：按照ACCW机制的策略差异化调整各传感器节点的CW，参照如下公式进行调整：

；其中，

，n为准静态水声传感器网络中的传感器数目。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

（1）水下通信传播时延较大，各个节点到簇头节点的传播时延各异，导致节点恢复空闲的时刻与簇头恢复空闲的时刻不同，使得簇头空闲出来的信道不能被及时利用，形成一个空窗期，造成信道利用率和网络吞吐量下降。为解决上述问题，本文提出一种基于传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议，该协议对传统CW-MAC协议的随机退避机制进行改进，根据各传感器节点到簇头的传播时延对各节点的竞争窗口值进行差异化设置。

（2）为提高节点接入信道的公平性，在ACCW退避机制中引入退避因子 K₁、K₂，根据给定的初始窗口值判断信道的工作状态，基于当前工作状态自适应地选取退避因子。

（3）借助仿真软件NS3将提出的ACCW-MAC协议与传统CW-MAC协议进行仿真对比。

附图说明

图1为CW-MAC协议有限状态机示意图；

图2为RTT计算传播时延；

图3为发送确认字符时延差异；

图4为退避因子 K₁计算曲线；

图5为退避因子 K₂计算曲线；

图6为水声传感器网络；

图7为水声传感器节点网络分布图；

图8为传统CW-MAC协议与AVCW-MAC协议的归一化吞吐量随节点数的对比曲线图；

图9为不同节点数目下传统CW-MAC协议与AVCW-MAC协议的平均端到端时延的对比曲线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

一、传统CW-MAC协议

CW-MAC 协议是基于时隙 ALOHA 协议提出的，属于竞争型 MAC 协议范畴。CW-MAC协议引入信道检测和随机退避机制，应用范围更加广泛，可以在一段时间内处理较大量的数据。

CW-MAC协议的退避机制为网络中的每个节点附加一个参数 CW，用来表示竞争窗口的大小。当节点需要发送数据包时，先在 [0, CW-1]之间随机选取一个值用来计数，并设置一个退避计数器的持续时间

，节点发送数据时启动退避计数器开始倒计时，此时设置退避计数器的值为

，用于检测信道是否空闲。倒计时结束后进行数据包发送，在计时过程中，一旦检测到信道忙碌立即暂停计数器，当信道再次空闲时重启计时器。CW-MAC的有限状态机如图1所示：

二、RTT传播时延测定

传播时延可以通过测量往返时间（Round-Trip Time，RTT）的方法获得。具体方法如图 2 所示：

测量往返时间法RTT描述如下：首先节点S向节点R发送一个询问包，并保存自己的发包时间

，其中T=S表示在节点S的时间轴上，节点R收到询问包后，记录收包时间

，然后立即向节点S 发送应答包，在应答包中添加接收询问包时间和发送应答包时间

这两个时刻的时间戳，节点S 收到应答包后记录收包时间

，通过两节点收发时刻相减得出节点S和R之间的传播时延，见如下公式：

三、提出ACCW-MAC协议

图3(a)中，R为簇头节点，A和B均为海底传感器节点，由于节点A距离簇头R较近，如图3(b)所示，传感器节点A传输完数据后，簇头节点R率先恢复到空闲状态，而传感器节点B则要再延迟一段时间才能侦测到信道空闲，因此在簇头节点R的时间轴上形成一个空窗期。

显然，距离簇头节点越近的传感器节点能够越早地知道簇头节点变成空闲的时刻，这些节点因为载波传播时延的差引起“簇头信道恢复空闲”这一消息的滞后性较小，能更快地重新占领信道，使得空窗期W变短。因此，为了提高信道利用率、减少发送节点的总时延，ACCW-MAC协议采用ACCW机制，令靠近簇头的传感器节点采用更为积极的发送策略，距簇头较远的传感器节点采用较为保守的发送策略，从而提高网络整体的吞吐量，这一机制使得待发送传感器节点的数目尽可能快地减少，能够为传输距离较远的传感器节点提供更好的通信环境。

假设一个簇头节点的传输范围内有n个传感器节点，n个传感器节点随机分布在簇头周围，利用RTT计算出各个传感器节点到簇头节点的传播时延，该传播时延的集合为

，则各传感器节点到簇头节点的平均传播时延为：

簇头节点启动邻居发现协议，将平均传播时延D _ave 以及各传感器节点与它的传播时延

广播通知全网；各节点根据D _ave 和D _i 采用相应策略改变CW，当D _i ＜D _ave 时，传感器节点距离簇头节点近，采用积极的发送策略，参考D _ave 和D _i 的比例减小当前节点的竞争窗口值，缩短节点的退避时间，使其快速发送数据；当D _i ＞D _ave 时，传感器节点距离簇头节点远，采用保守的发送策略，增大当前竞争窗口值，按照预定的通信计划监听信道、等待发送数据。

根据传感器节点的数量和网络环境，首先利用传统CW-MAC协议进行仿真，得出使得网络吞吐量最大的竞争窗口值，记作CW_opt，按照上述ACCW机制的策略设置CW，本发明针对节点 i 配置的CW_i如式(3)所示：

式中，K₁、K₂为退避因子，能够控制CW_i的变化幅度。

（1）退避因子 K₁的计算曲线如图4所示，图4中，横坐标表示 CW_opt的对数值，纵坐标表示退避因子 K₁，方程表示如下：

（2）退避因子K₂的计算曲线如图5所示，图5中，横坐标表示CW_opt的对数值，纵坐标表示退避因子 K₂，方程表示如下：

四、网络场景分析

典型的水声通信网络一般由海底传感器、自主水下航行器、海面网关节点与岸基控制中心组成，如图 6 所示。本发明的研究重点放在水声通信网络的末端，即传感器节点到簇头节点这部分子网络。本发明利用NS3的水声通信模块UAN（underwater acousticnetwork）模拟水下环境，验证CW-MAC协议和ACCW-MAC协议的各项性能。

五、评价指标

仿真通过改变传感器网络的节点数目来观察不同情况下的网络性能，我们采用平均吞吐量TH _ave 和平均端到端时延D作为评价水下通信 MAC 协议的指标，定义如下：

式中，Num、PacketSize、t分别表示簇头节点成功接受到的数据包数、数据包大小和仿真时间，PacketSize×8表示单个数据包的位数；平均吞吐量TH _ave 表示每秒传输成功的数据位数，单位为 bit/s，它能够直观体现出网络传输过程中的可靠性和实时性，是主要的性能指标，TH _ave 值越大表示网络性能越好。

式中：Num表示簇头节点成功接受到的数据包数，ET(i)、RT(i)分别表示第i个数据包的入列时间、簇头节点成功接收到第i个数据包的时间。平均端到端时延是指在网络中从首个数据包发送开始计时，到最后一个数据包被接收到截至的时间，平均端到端时延是总时间除以接收到的数据包的数目。网络平均时延越小，网络性能越好。

六、仿真结果

本发明在准静态水声传感器网络中，仿真设置 20 个传感器节点，随机分布在以簇头节点为中心的边长为 500m 的正方形区域内，深度为70m，固定时隙 选取0.2s。

图8为传统CW-MAC协议与ACCW-MAC协议的平均吞吐量随节点数变化曲线。可以看出，采用CW-MAC协议，针对特定节点数目选取合适的竞争窗口值，网络的最大吞吐量在49.86 bit/s 左右，由于ACCW-MAC协议比CW-MAC协议多了应对节点冲突的有效机制，各节点依据自身到簇头节点的传播时延差异化设置各自的竞争窗口，网络性能相对稳定，网络的最大吞吐量约为56.68 bit/s ，较CW-MAC协议高出约13.7%。

图9为不同节点数目下平均端到端时延的变化曲线。可以看出，传统CW-MAC协议具有较高的时延增长率，当节点数N=20时，ACCW-MAC协议的时延较CW-MAC协议降低了约27.3%。这是因为随着节点数目的增加，簇头节点的信道经常处于忙碌阶段，传统CW-MAC协议不能很好的适应动态变化的网络，最优竞争窗口值 CW_opt的增加使得待发送节点发送数据包的等待时间会变得更长，从而导致端到端时延的增长。而ACCW-MAC协议采用差异化的发送策略，让距离簇头节点较近、时延较低、发送成功率较高的节点优先发送数据包，有效减少了待发送数据包节点的等待时间，从而减少了网络的平均端到端时延。综上所述，仿真结果表明，与传统CW-MAC协议相比，ACCW-MAC协议具有更好的性能（归一化吞吐量提高了13.7%左右，平均端到端时延降低了约27.3%）。

Claims (5)

1.一种基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，该方法应用于准静态传感器网络的水声无线通信，基于水下各传感器节点与簇头节点的场景，实现各传感器节点与簇头节点间的通信，包括如下步骤：

步骤1：对水声通信协议CW-MAC进行仿真，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW_opt；

步骤2：利用测量往返时间法RTT计算全局传感器节点中各传感器节点与簇头节点的传播时延，通过邻居发现协议将各传感器节点与簇头节点的传播时延进行广播；

步骤3：在广播过程中引入ACCW机制，根据传播时延的差异自适应地调整节点的竞争窗口CW，并在ACCW机制中引入退避因子K₁、K₂，在竞争激烈、过渡、竞争缓和三个阶段动态地选取退避因子，从而为每个传感器节点更新竞争窗口CW，实现各传感器节点与簇头节点间的通信。

2.根据权利要求1所述基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，步骤1中，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW_opt具体包括如下步骤：

步骤1.1：通过仿真软件搭建准静态水声传感器网络模型，该网络包含N个传感器节点，随机分布在以簇头节点为中心的正方形区域内，每个传感器节点都可侦听到其他节点发送的数据包，设置传感器节点发送的数据包、通信速率和仿真时间；

步骤1.2：计算平均吞吐量TH _ave ：

式中，Num、PacketSize、t分别表示簇头节点成功接受到的数据包数、数据包大小和仿真时间，PacketSize×8表示单个数据包的位数；

步骤1.3：在准静态传感器网络中对CW-MAC协议进行仿真，传感器节点CW值从10逐渐增加至400，找到使得该网络平均吞吐量最大时候的CW，将其记作CW_opt；

步骤1.4：在验证基于水声传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议方法时，选取和步骤1.2相同的准静态水声传感器网络模型，为每个传感器节点初始化设置竞争窗口为CW_opt。

3.根据权利要求2所述基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，所述仿真软件为NS-3。

4.根据权利要求1所述基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，步骤2中，利用测量往返时间法RTT计算各传感器节点与簇头节点的传播时延，具体包括如下步骤：

步骤2.1：测量往返时间法RTT描述如下：首先节点S向节点R发送一个询问包，并保存自己的发包时间

，其中T=S表示在节点S的时间轴上，节点R收到询问包后，记录收包时间

，然后立即向节点S 发送应答包，在应答包中添加接收询问包时间和发送应答包时间

这两个时刻的时间戳，节点S 收到应答包后记录收包时间

，通过两节点收发时刻相减得出节点S和R之间的传播时延，见如下公式：

；

步骤2.2：参照步骤2.1的方法计算出准静态水声传感器网络中各传感器节点到簇头节点之间的传播时延，该传播时延的集合

，则各传感器节点到簇头节点的平均传播时延为：

其中n为准静态水声传感器网络中的传感器数目；

步骤2.3：簇头节点启动邻居发现协议，将平均传播时延D _ave 以及各传感器节点与它的传播时延

广播通知全网；

步骤2.4：各节点根据D _ave 和D _i 采用相应策略改变CW，当D _i ＜D _ave 时，传感器节点距离簇头节点近，采用积极的发送策略，参考D _ave 和D _i 的比例减小当前节点的竞争窗口值，缩短节点的退避时间，使其快速发送数据；当D _i ＞D _ave 时，传感器节点距离簇头节点远，采用保守的发送策略，增大当前竞争窗口值，按照预定的通信计划监听信道、等待发送数据。

5.根据权利要求1所述基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：引入两个窗口阈值

、

将网络的竞争程度划分为竞争激烈、过渡以及竞争缓和三个阶段，

、

的取值分别为32、128；

步骤3.2：ACCW退避机制中引入退避因子K₁、K₂， 退避因子K₁的计算公式如下：

；退避因子K₂的计算公式如下：

；

步骤3.3：按照ACCW机制的策略差异化调整各传感器节点的CW，参照如下公式进行调整：

；其中，

，n为准静态水声传感器网络中的传感器数目。

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