一種水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種水下無線傳感 器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制（MAC)方法。
【背景技術】
[0002] 由于水下環(huán)境和地面環(huán)境存在巨大的差異，使得現(xiàn)有的地面無線通信網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議和鏈路調度方法無法直接應用于水下傳感器網(wǎng)絡中，需要重新設計效率高，穩(wěn)定性好 的MAC協(xié)議。水下傳感器網(wǎng)絡協(xié)議和方案設計所面臨的挑戰(zhàn)主要有如下幾點：
[0003] (1)由于聲速相對較低（1500m/s)，導致水下環(huán)境的傳播延遲比地面信道中的 無線電波高了五個數(shù)量級（參考R.J.Urick,"PrinciplesofUnderwaterSound3rd Edition, "McGraw-Hill, 1983.)。
[0004] (2)水聲信道具有嚴重的衰減特性，特別是由于時變多徑和衰落所引起的信號衰 減。
[0005] (3)水聲信道的帶寬相對較低，大約只有10k/bps(參考M.Molinsand M.Stojanovic,"SlottedFAMA:aMACProtocolforUnderwaterAcousticNetworks,，'in ProceedingsofIEEE/MTSOCEANS, 2006,pp. 1 - 7.)〇
[0006] (4)水聲信道網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化非常劇烈。
[0007]傳播延遲過高會造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear_t〇-send)類MAC協(xié) 議性能嚴重的降低，并且會引起時空不確定性，導致數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突，造成MAC協(xié)議 失效，這種時空不確定性及其引發(fā)的問題可參考文獻：A.Syed,W.Ye,J.Heidemann,and B.Krishnamachari,"Understandingspatio-temporaluncertaintyinmediumaccess withalohaprotocols,，'inProceedingsofthesecondworkshoponUnderwater networks.ACM,pp. 41 - 48,Sept. 2007.，該文獻中指出節(jié)點收發(fā)包不僅與包的發(fā)送時間有 關，而且與收發(fā)節(jié)點間的歐式距離有關。也就是說，時空不確定性取決于在不同位置的包的 發(fā)送時間和傳播延遲。這導致地面信道的MAC協(xié)議不適合水下傳感器網(wǎng)絡。
[0008] 例如，地面信道中經(jīng)典的MACA協(xié)議就不適合水下傳感器網(wǎng)絡。原因如下：
[0009] (1)、MACA協(xié)議中的RTS/CTS類協(xié)議發(fā)送一個數(shù)據(jù)包就需要四次握手（RTS-- >CTS-->DATA-->ACK)，由于水下傳感器網(wǎng)絡中傳播延遲很大，四次握手過程花費了大 量的時間，這明顯的降低了系統(tǒng)的性能。假設網(wǎng)絡中存在兩個節(jié)點A和B，網(wǎng)絡的帶寬是 10Kbps，A和B節(jié)點的距離是1.5KM，聲速為1500m/s。如果A需要向B發(fā)送1個長度為100B 的數(shù)據(jù)包，A需要先向B發(fā)送一個大小為10B的RTS，耗費8ms，傳播延遲為ls;B收到RTS 后，向A發(fā)送大小為10B的CTS，耗費8ms，傳播延遲為Is;A收到CTS后，發(fā)送100B的數(shù)據(jù) 包，耗費80ms，傳播延遲Is;B受到數(shù)據(jù)包后，發(fā)送10B的ACK數(shù)據(jù)包，耗費8ms，傳播延遲 Is;發(fā)送一個大小為100B的數(shù)據(jù)包需要耗費4104ms?？梢钥闯觯篗ACA在水下傳感器網(wǎng)絡中 的應用，會由于較大的傳播延遲，造成系統(tǒng)性能嚴重受損。
[0010] (2)、對于負載比較重的水下傳感器網(wǎng)絡，RTS/CTS類協(xié)議會引發(fā)頻繁退避，增加了 報文傳輸時間，降低系統(tǒng)的性能。
[0011] (3)、水下傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議需要具有公平性，它要求每個節(jié)點都處于同等的地 位，但對于RTS/CTS協(xié)議來說，其固有的暴露終端和隱藏終端問題使得某些節(jié)點總是處于 不利的地位。
[0012] 另一方面，目前雖然還存在一些基于信道爭用的分布式隨機MAC協(xié)議，但它們都 未對發(fā)送成功率和重發(fā)次數(shù)的關系進行研究，導致要么傳輸延遲過高，要么發(fā)送成功率過 低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013] 因此，本發(fā)明的任務是提供一種能夠能很好的適用于網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化的環(huán)境的 水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制解決方案。
[0014] 本發(fā)明提供了一種水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，所述水下無線傳 感器網(wǎng)絡為同步網(wǎng)絡，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法包括下列步驟：
[0015] 1)獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構中的最大度n，以及接收所要達到的數(shù)據(jù) 包收發(fā)成功率0 ;
[0016] 2)對于所述水下無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點，當該節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，該節(jié) 點在連續(xù)m個時隙以概率X=lAn+l)嘗試發(fā)送所述數(shù)據(jù)包，
【主權項】
1. 一種水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡為同步 網(wǎng)絡，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法包括下列步驟： 1) 獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構中的最大度n，以及接收所要達到的數(shù)據(jù)包收 發(fā)成功率9 ; 2) 對于所述水下無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點，當該節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，該節(jié)點在 連續(xù)m個時隙以概率X=lAn+l)嘗試發(fā)送所述數(shù)據(jù)包
2. 根據(jù)權利要求1所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在于， 所述同步網(wǎng)絡的時隙為該網(wǎng)絡中最大數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。
3.根據(jù)權利要求2所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在于， 所述水下無線傳感器網(wǎng)絡為單跳網(wǎng)絡。
4.根據(jù)權利要求3所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在于， 所述步驟1)中，每個節(jié)點獲得自己的鄰居個數(shù)并直接將其作為所述最大度n。
5.根據(jù)權利要求2所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在于， 所述水下無線傳感器網(wǎng)絡為多跳網(wǎng)絡。
6.根據(jù)權利要求5所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在于， 所述步驟1)中，每個節(jié)點獲得自己的鄰居個數(shù)，然后將這個鄰居節(jié)點個數(shù)傳遞至整個網(wǎng) 絡，然后每個節(jié)點根據(jù)所接收的其它節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)以及其自身的鄰居節(jié)點個數(shù)，得 出其所處傳感器網(wǎng)絡拓撲結構中的最大度n。
7.根據(jù)權利要求1?6所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在 于，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡通過運行時間同步算法，使得網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時間基于所 述時隙實現(xiàn)同步。
8. 根據(jù)權利要求1?6所述的水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，其特征在 于，所述步驟2)包括下列子步驟： 21) 節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在一個時隙開始時，以概率X=lAn+l)獲取發(fā)送權，如果 獲取發(fā)送權成功，進入步驟22)，如果獲取發(fā)送權不成功，則進入步驟23); 22) 該節(jié)點進入發(fā)送狀態(tài)發(fā)送所述數(shù)據(jù)包，并在下一時隙開始時重復執(zhí)行步驟21)，直 到對于當前的需要發(fā)送的所述數(shù)據(jù)包，步驟21)已執(zhí)行m次； 23)該節(jié)點進入接收狀態(tài)，并在下一時隙開始時重復執(zhí)行步驟21)，直到對于當前的需 要發(fā)送的所述數(shù)據(jù)包，步驟21)已執(zhí)行m次。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡為同步網(wǎng)絡，所述水下無線傳感器網(wǎng)絡媒體介質訪問控制方法包括下列步驟：1)獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構中的最大度n，以及接收所要達到的數(shù)據(jù)包收發(fā)成功率θ；2)對于所述水下無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點，當該節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，該節(jié)點在連續(xù)m個時隙以概率X＝1/(n+1)嘗試發(fā)送所述數(shù)據(jù)包，本發(fā)明能夠很好的適應網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化的環(huán)境；能夠確保水下無線傳感器網(wǎng)絡具有一定的成功發(fā)送概率，并盡可能地減少其數(shù)據(jù)傳輸延遲以及開銷。
【IPC分類】H04W56-00, H04W84-18
【公開號】CN104619005
【申請?zhí)枴緾N201510011817
【發(fā)明人】李超, 李曉維, 徐勇軍, 安竹林
【申請人】中國科學院計算技術研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月9日