一種水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種水下無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC)方法。
【背景技術(shù)】
[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(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議和鏈路調(diào)度方法無(wú)法直接應(yīng)用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要重新設(shè)計(jì)效率高，穩(wěn)定性好 的MAC協(xié)議。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和方案設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)主要有如下幾點(diǎn)：
[0003] (1)由于聲速相對(duì)較低（1500m/s)，導(dǎo)致水下環(huán)境的傳播延遲比地面信道中的 無(wú)線電波高了五個(gè)數(shù)量級(jí)（參考R.J.Urick,"PrinciplesofUnderwaterSound3rd Edition, "McGraw-Hill, 1983.)。
[0004] (2)水聲信道具有嚴(yán)重的衰減特性，特別是由于時(shí)變多徑和衰落所引起的信號(hào)衰 減。
[0005] (3)水聲信道的帶寬相對(duì)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(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化非常劇烈。
[0007]傳播延遲過(guò)高會(huì)造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear_t〇-send)類MAC協(xié) 議性能嚴(yán)重的降低，并且會(huì)引起時(shí)空不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突，造成MAC協(xié)議 失效，這種時(shí)空不確定性及其引發(fā)的問(wèn)題可參考文獻(xiàn)：A.Syed,W.Ye,J.Heidemann,and B.Krishnamachari,"Understandingspatio-temporaluncertaintyinmediumaccess withalohaprotocols,，'inProceedingsofthesecondworkshoponUnderwater networks.ACM,pp. 41 - 48,Sept. 2007.，該文獻(xiàn)中指出節(jié)點(diǎn)收發(fā)包不僅與包的發(fā)送時(shí)間有 關(guān)，而且與收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的歐式距離有關(guān)。也就是說(shuō)，時(shí)空不確定性取決于在不同位置的包的 發(fā)送時(shí)間和傳播延遲。這導(dǎo)致地面信道的MAC協(xié)議不適合水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[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(luò)。原因如下：
[0009] (1)、MACA協(xié)議中的RTS/CTS類協(xié)議發(fā)送一個(gè)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(luò)中傳播延遲很大，四次握手過(guò)程花費(fèi)了大 量的時(shí)間，這明顯的降低了系統(tǒng)的性能。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B，網(wǎng)絡(luò)的帶寬是 10Kbps，A和B節(jié)點(diǎn)的距離是1.5KM，聲速為1500m/s。如果A需要向B發(fā)送1個(gè)長(zhǎng)度為100B 的數(shù)據(jù)包，A需要先向B發(fā)送一個(gè)大小為10B的RTS，耗費(fèi)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(fèi)8ms，傳播延遲為Is;A收到CTS后，發(fā)送100B的數(shù)據(jù) 包，耗費(fèi)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(fèi)8ms，傳播延遲 Is;發(fā)送一個(gè)大小為100B的數(shù)據(jù)包需要耗費(fèi)4104ms?？梢钥闯觯篗ACA在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中 的應(yīng)用，會(huì)由于較大的傳播延遲，造成系統(tǒng)性能嚴(yán)重受損。
[0010] (2)、對(duì)于負(fù)載比較重的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，RTS/CTS類協(xié)議會(huì)引發(fā)頻繁退避，增加了 報(bào)文傳輸時(shí)間，降低系統(tǒng)的性能。
[0011] (3)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議需要具有公平性，它要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于同等的地 位，但對(duì)于RTS/CTS協(xié)議來(lái)說(shuō)，其固有的暴露終端和隱藏終端問(wèn)題使得某些節(jié)點(diǎn)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(zhēng)用的分布式隨機(jī)MAC協(xié)議，但它們都 未對(duì)發(fā)送成功率和重發(fā)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，導(dǎo)致要么傳輸延遲過(guò)高，要么發(fā)送成功率過(guò) 低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種能夠能很好的適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的環(huán)境的 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制解決方案。
[0014] 本發(fā)明提供了一種水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，所述水下無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)為同步網(wǎng)絡(luò)，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法包括下列步驟：
[0015] 1)獲取水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的最大度n，以及接收所要達(dá)到的數(shù)據(jù) 包收發(fā)成功率0 ;
[0016] 2)對(duì)于所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該節(jié) 點(diǎn)在連續(xù)m個(gè)時(shí)隙以概率X=lAn+l)嘗試發(fā)送所述數(shù)據(jù)包，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為同步 網(wǎng)絡(luò)，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法包括下列步驟： 1) 獲取水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的最大度n，以及接收所要達(dá)到的數(shù)據(jù)包收 發(fā)成功率9 ; 2) 對(duì)于所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該節(jié)點(diǎn)在 連續(xù)m個(gè)時(shí)隙以概率X=lAn+l)嘗試發(fā)送所述數(shù)據(jù)包
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于， 所述同步網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙為該網(wǎng)絡(luò)中最大數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于， 所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為單跳網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于， 所述步驟1)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得自己的鄰居個(gè)數(shù)并直接將其作為所述最大度n。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于， 所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為多跳網(wǎng)絡(luò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于， 所述步驟1)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得自己的鄰居個(gè)數(shù)，然后將這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)傳遞至整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收的其它節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及其自身的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，得 出其所處傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的最大度n。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?6所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在 于，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)運(yùn)行時(shí)間同步算法，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基于所 述時(shí)隙實(shí)現(xiàn)同步。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1?6所述的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)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(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，在一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，以概率X=lAn+l)獲取發(fā)送權(quán)，如果 獲取發(fā)送權(quán)成功，進(jìn)入步驟22)，如果獲取發(fā)送權(quán)不成功，則進(jìn)入步驟23); 22) 該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)發(fā)送所述數(shù)據(jù)包，并在下一時(shí)隙開(kāi)始時(shí)重復(fù)執(zhí)行步驟21)，直 到對(duì)于當(dāng)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(diǎn)進(jìn)入接收狀態(tài)，并在下一時(shí)隙開(kāi)始時(shí)重復(fù)執(zhí)行步驟21)，直到對(duì)于當(dāng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為同步網(wǎng)絡(luò)，所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制方法包括下列步驟：1)獲取水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的最大度n，以及接收所要達(dá)到的數(shù)據(jù)包收發(fā)成功率θ；2)對(duì)于所述水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該節(jié)點(diǎn)在連續(xù)m個(gè)時(shí)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的環(huán)境；能夠確保水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(kāi)銷。
【IPC分類】H04W56-00, H04W84-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104619005
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510011817
【發(fā)明人】李超, 李曉維, 徐勇軍, 安竹林
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月9日