專利名稱：一種基于tdma的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議。

背景技術(shù)：
水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種水下無纜通信網(wǎng)絡(luò)，通常由聲連接的海底傳感器節(jié)點、自主式水下運載器和作為主節(jié)點的海面站組成的水聲無線通訊網(wǎng)絡(luò)。它們被部署在特定的區(qū)域執(zhí)行合作監(jiān)視任務(wù)。主要應(yīng)用于對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域進(jìn)行中長期的水下預(yù)警、目標(biāo)檢測、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測等，其廣闊的應(yīng)用前景引起了學(xué)術(shù)界和軍事界的高度重視。近年來水下傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點。但是，水下環(huán)境多變和普遍的噪聲使得誤碼率高且延遲變化劇烈，對節(jié)點實行水下同步代價很高，這些挑戰(zhàn)都使得傳統(tǒng)協(xié)議在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不可用。
水聲信道與無線電信道相比，載波頻率低，帶寬窄，多途傳播時延特別嚴(yán)重，多普勒頻移的影響很大，傳輸速率低，水下聲波的傳播速率比電磁波的速率低5個數(shù)量級，傳輸時延長，約0.67s/km，但是為陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議并不關(guān)心這些問題。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)存的MAC協(xié)議主要可分為三類第一類是基于握手機制的，第二種是基于Aloha和CSMA的，最后一類是基于CDMA的。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在MAC設(shè)計方面面臨著很多挑戰(zhàn)。握手機制解決了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)重復(fù)請求報文的問題，但是對于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，它大大增加了端到端延遲；Aloha的效率不高；TDMA對所有節(jié)點實行同步代價很高。因此對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，需要重新設(shè)計這些協(xié)議。設(shè)計水下MAC協(xié)議需要考慮兩個主要問題第一，傳播時延長使得節(jié)點很難實現(xiàn)同步、使用載波偵聽和握手機制。第二，傳播時延是變化的且很容易受到各種環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)的MAC協(xié)議并不關(guān)心傳播時延變化的問題。
傳統(tǒng)TDMA協(xié)議不適用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，這主要有兩個原因第一，它需要整個網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點至少在微秒級達(dá)到精確時間同步，但是在水下環(huán)境中同步協(xié)議實現(xiàn)起來需要很高的代價；如果節(jié)點彼此不能實現(xiàn)同步，各數(shù)據(jù)包之間就會產(chǎn)生沖突，TDMA也就失去了應(yīng)用價值。第二，陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議(包括TDMA)常常忽略端到端的傳播時延問題，但是在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳播時延是不能被忽略的。水下聲信道具有延遲長、多變性和敏感性的缺點，這使得為每個節(jié)點分配時間片更難并且需要重新設(shè)計超幀。簡單地把TDMA應(yīng)用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，則時間片的長度至少應(yīng)該是發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間加上網(wǎng)絡(luò)的最大傳播時延，才能避免沖突的產(chǎn)生，大量的時間用來等待和避免沖突，導(dǎo)致通信效率很低。定義T為發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間，D為網(wǎng)絡(luò)中的最大傳播時延。在陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)中，端到端延遲很小，可以忽略，則如果節(jié)點總是在自己的時間片內(nèi)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，TDMA幾乎能夠達(dá)到100％的信道利用率。而水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道利用率僅僅是T/(T+D)。可見，這種傳統(tǒng)的TDMA應(yīng)用在傳播時延很大的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到的效果并不好。
中國專利CN1829201公布了一種能量感知介質(zhì)訪問控制協(xié)議實現(xiàn)方法，它是一種基于TDMA機制的MAC協(xié)議方法。它采用基于TDMA機制的結(jié)構(gòu)和提前預(yù)約的時隙分配方式，小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點在每一幀的控制時隙醒來，用以選舉后續(xù)的若干數(shù)據(jù)時隙的占有者，為了保持系統(tǒng)效率，節(jié)點在有分組到達(dá)以后，才在下一個控制時隙發(fā)送競爭時隙的原子廣播。但是它僅限于陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)，對于傳播時延很大的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)并不適用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，利用水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的高延遲和不同鏈路的延遲不同的特性克服了水下節(jié)點同步代價高和因傳播時延大導(dǎo)致信道利用率低等缺陷，通過設(shè)置推遲時間分配各個節(jié)點的傳送次序，使基站能夠一幀接一幀地接收數(shù)據(jù)，無沖突且等待時間很短，提高了信道利用率，使得流量最大化，并實現(xiàn)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的輕量級同步通信，降低TDMA機制下對節(jié)點精確同步的要求，有效減少沖突，縮短等待時間。
本發(fā)明根據(jù)每個節(jié)點所在的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳播時延的不同而設(shè)置的不同的最優(yōu)保護時間，以避免因時延變化而帶來的沖突；用推遲時間為每個節(jié)點分配傳輸時間，以解決水下傳感器節(jié)點的無沖突傳輸問題；并把推遲時間封裝入超幀以告知所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間，最終實現(xiàn)輕量級的同步通信。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明的具體步驟如下 步驟1匯聚節(jié)點對比到它的鄰居節(jié)點的距離，把這些節(jié)點按升序排列，按照節(jié)點離匯聚節(jié)點的距離遠(yuǎn)近依次編號為1，2，...，n，并且按照此排列順序作為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包順序，在TDMA階段第i個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的實際順序為i； 步驟2匯聚節(jié)點利用公式計算出最優(yōu)保護時間，然后利用最優(yōu)保護時間計算出每個節(jié)點的推遲時間Tdefer(i)，并把此推遲時間封裝入超幀； 步驟3匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點廣播超幀； 步驟4節(jié)點收到超幀后，按照超幀中的推遲時間決定自己的發(fā)包時間，在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點。
以下對本發(fā)明做進(jìn)一步說明 1、本發(fā)明僅適用于單跳水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點經(jīng)過一跳就能夠到達(dá)匯聚節(jié)點。在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間的通信通常需要經(jīng)過多跳，這就需要通過分簇以使節(jié)點之間單跳通信，每一簇內(nèi)都有一個簇頭節(jié)點管理簇內(nèi)的節(jié)點，此簇頭結(jié)點相當(dāng)于單跳網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點。
2、設(shè)置最優(yōu)保護時間以避免因時延變化而帶來的沖突 為了避免因時延變化而帶來的沖突，需要在每個發(fā)送時間后加上一個保護時間Tp。由于在水下環(huán)境中，節(jié)點需要的保護時間多；同時當(dāng)增加數(shù)據(jù)包的長度，即增加發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間T，也需要更多保護時間，所以選擇不同的Tp以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。匯聚節(jié)點到節(jié)點的距離通常是不相同的，根據(jù)每個節(jié)點所在的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳播時延σ的不同而設(shè)置不同保護時間Tp，Tp是一個折中值，增大Tp將減小沖突的概率，但同時增大了端到端的延遲。需要找一個最優(yōu)的Tp值以使網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，經(jīng)驗證可知滿足的Tp就是最優(yōu)的。按照各節(jié)點的發(fā)包順序，各節(jié)點的最優(yōu)保護時間是一個非遞減的隊列。
3、設(shè)置推遲時間Tdefer(i)為每個節(jié)點分配傳輸時間，以解決水下節(jié)點無沖突傳輸問題 定義推遲時間Tdefer(i)為節(jié)點i接收到超幀的幀尾到它開始發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包間的時間，T為發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間(即節(jié)點把數(shù)據(jù)包送入信道的時間)，Li是節(jié)點i到匯聚節(jié)點的距離，s是信號傳播速度；匯聚節(jié)點利用公式(其中Tp(i)為每個節(jié)點的最優(yōu)保護時間，其計算方法已在2中給出)計算每個節(jié)點的推遲時間Tdefer(i)并把它封裝到超幀中。節(jié)點接收到超幀，并根據(jù)超幀中的推遲時間設(shè)置自己的發(fā)包時間，在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點就能無沖突、無等待時間地接收到數(shù)據(jù)包。
本發(fā)明的優(yōu)點是 (1)與現(xiàn)有協(xié)議相比，采用輕量級的同步通信以適應(yīng)于水下環(huán)境，用推遲時間為每個節(jié)點分配傳輸時間，以解決水下節(jié)點的無沖突傳輸問題，各個節(jié)點無需校對時鐘，降低了TDMA機制下對節(jié)點精確同步的要求。
(2)根據(jù)每個節(jié)點所在的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳播時延的不同而設(shè)置的不同的最優(yōu)保護時間，以有效減少因時延變化而帶來的沖突，縮短等待時間，最大限度地提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。



圖1單跳水下傳感器網(wǎng)絡(luò)模型圖； 圖2每個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間順序圖； 圖3當(dāng)加入Tp時的沖突情況圖； 圖4當(dāng)加入Tp時數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間順序圖。

具體實施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作如下詳述 在圖1中，中間黑色節(jié)點(0)是匯聚節(jié)點，邊緣白色節(jié)點(1、2、3、4、5、...)為普通傳感器節(jié)點，它們組成了一個單跳的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點經(jīng)過一跳就能到達(dá)匯聚節(jié)點。在實際的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間的通信是多跳的，需要通過分簇以使節(jié)點之間單跳通信，每一簇內(nèi)都有一個簇頭節(jié)點管理簇內(nèi)的數(shù)據(jù)，再運用本發(fā)明中的方法來進(jìn)行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到良好的實施效果。
在圖2中，在假定沒有沖突的情況下，就不需要保護時間來避免沖突，匯聚節(jié)點利用公式Tdefer(i)＝(i-1)T-2(Li-L1)/s算出推遲時間，把推遲時間封裝入超幀，每個節(jié)點收到的超幀后，在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點，各個節(jié)點的數(shù)據(jù)包就會依次到達(dá)匯聚節(jié)點，即匯聚節(jié)點就能無沖突、無等待時間地接收到數(shù)據(jù)包，信道利用率能達(dá)到100％。
在圖3中，在實際網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常會產(chǎn)生沖突，需要加入保護時間來加以避免。但是當(dāng)加入保護時間Tp時，數(shù)據(jù)包也會產(chǎn)生沖突。在實際網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點到節(jié)點的距離通常是不相同的。匯聚節(jié)點到節(jié)點i的延遲為T(s，i)*＝T(s，i)+ΔT，其中，T(s，i)是匯聚節(jié)點和節(jié)點i的平均時延，ΔT是一個服從正態(tài)分布N(0，σ)的變量。ΔTi是節(jié)點i的數(shù)據(jù)包在時間軸上的偏移。所以鄰近的兩個幀i和j產(chǎn)生沖突的條件為ΔTi-ΔTj＞Tp，一旦滿足此條件，前一幀的幀尾將會撞到后一幀的幀頭，這樣就會產(chǎn)生沖突。
在圖4中，由于水下環(huán)境中的傳輸距離很大，傳播時延的協(xié)方差σ也很大。在實際網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點到節(jié)點的距離通常是不相同的，因此它們的σ也是不相同的，而σ決定了保護時間的大小。讓每個節(jié)點利用自己的σ，計算出自己的最優(yōu)保護時間Tp，記為Tp(i)。當(dāng)加入保護時間Tp(i)時，每個數(shù)據(jù)包的保護時間Tp(i)組成的隊列是一個非遞減的隊列。此時推遲時間為匯聚節(jié)點計算出各個節(jié)點的推遲時間，并把推遲時間封裝到超幀中，廣播給各個節(jié)點，各節(jié)點收到超幀，并根據(jù)超幀中的推遲時間設(shè)置自己的發(fā)包時間，在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點，會大大減小沖突產(chǎn)生概率。
具體實施效果(1)解決水下節(jié)點的輕量級同步通信問題，各個節(jié)點無需校對時鐘，降低了TDMA機制下對節(jié)點精確同步的要求；(2)有效減少沖突，縮短等待時間，最大限度地提高信道利用率；(3)增大了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，特別在傳輸負(fù)載高時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量增大；(4)簡單易于部署，有利于本發(fā)明的普及。
權(quán)利要求
1、 一種基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于
步驟1匯聚節(jié)點對比到它的鄰居節(jié)點的距離，把這些節(jié)點按升序排列，按照節(jié)點離匯聚節(jié)點的距離遠(yuǎn)近依次編號為1，2，...，n，并且按照此排列順序作為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包順序，在TDMA階段第i個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的實際順序為i；
步驟2匯聚節(jié)點計算出最優(yōu)保護時間，然后利用最優(yōu)保護時間計算出每個節(jié)點的推遲時間，并把此推遲時間寫入超幀中；
步驟3匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點廣播超幀；
步驟4節(jié)點收到超幀后，按照超幀中的推遲時間決定自己的發(fā)包時間，在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于
匯聚節(jié)點需要事先知道它到網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的距離，并按此距離為每個節(jié)點編號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于
此協(xié)議僅適用于單跳的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，對于多跳的傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要經(jīng)過分簇來完成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于
此協(xié)議利用公式計算出推遲時間，利用推遲時間為每個節(jié)點分配傳輸時間，以解決水下節(jié)點的無沖突傳輸問題。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于
是節(jié)點0至i-1的最優(yōu)保護時間的累加和，每個節(jié)點的最優(yōu)保護時間是根據(jù)各節(jié)點所在的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳播時延的不同而設(shè)置的，在不同情況下計算所得的每個節(jié)點的最優(yōu)保護時間是不同的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的最優(yōu)保護時間，其特征在于它是一個能夠使網(wǎng)絡(luò)通信流量最大化的折中值，經(jīng)驗證滿足的Tp就是最優(yōu)的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，其特征在于匯聚節(jié)點把遲時間封裝入超幀中發(fā)給各個節(jié)點以告知各個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，各個節(jié)點在推遲時間結(jié)束時發(fā)送數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點，這樣各節(jié)點無需校對時鐘，可以實現(xiàn)節(jié)點間的輕量級同步通信。
全文摘要
一種基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議用于高誤碼率、高延遲和低帶寬的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是在傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種基于TDMA的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議。其具體方法為根據(jù)每個節(jié)點所在的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳播時延的不同而設(shè)置的不同的最優(yōu)保護時間，以避免因時延變化而帶來的沖突；利用推遲時間為每個節(jié)點分配傳輸時間，以解決水下傳感器節(jié)點的無沖突傳輸問題；并把推遲時間封裝入超幀以告知所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時間，最終實現(xiàn)輕量級的同步通信。這在一定程度上降低TDMA機制下對節(jié)點精確同步的要求，減少沖突，提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
文檔編號H04L29/08GK101287000SQ200810016550
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者郭忠文, 曲海鵬, 鋒 洪, 蔣永國, 源 馮, 璐 洪, 張艷華, 楊曉慧 申請人:中國海洋大學(xué)