專利名稱：基于aloha和tdma的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)mac層協(xié)議的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法，屬 于水聲信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TDMA (Time Division Multiple Access，時分多址)，是把時間分割成周期性的 幀，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站發(fā)向 多個移動終端的信號都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內(nèi) 接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。網(wǎng)絡(luò)吞吐量和端到端延遲是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的基本技術(shù)指標，傳統(tǒng)TDMA協(xié)議在網(wǎng) 絡(luò)負載較低時，會出現(xiàn)某些節(jié)點可能在其時隙期間無數(shù)據(jù)可發(fā)，而其他節(jié)點又不能利用該 時隙，導(dǎo)致時隙的浪費，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加了端到端延遲。其原因是忽略了信道的空 間復(fù)用性。ALOHA協(xié)議是指隨機訪問或者競爭發(fā)送協(xié)議，隨機訪問意味著對任何基站都無法 預(yù)計其發(fā)送的時刻，競爭發(fā)送是指所有發(fā)送的基站自由競爭信道的使用權(quán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是針對上述缺點，提出一種基于ALOHA和TDMA的 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法，充分利用水聲通信長傳播時延和信道的空間復(fù)用 性。在傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上增加ALOHA競爭機制，并利用水聲通信的的長傳播延遲特點， 增加了節(jié)點在等待確認信息和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中接收數(shù)據(jù)的方法，有效提高了 網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低數(shù)據(jù)的端到端延遲。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法，利用信道的空間復(fù) 用性，在不影響主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，未收到任何CTS幀的其他節(jié)點可以用適用于水 聲通信的ALOHA機制競爭時隙，并在確認等待和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中增加接收數(shù) 據(jù)的方法，獲取多個節(jié)點的信息。具體包括如下步驟 步驟A，網(wǎng)絡(luò)進行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息； 步驟B，節(jié)點判斷時隙歸屬，根據(jù)時隙是否屬于自己進行下一步動作； 步驟C-I，當時隙是本節(jié)點的主時隙時，若有DATA幀需要發(fā)送，先在RTS段發(fā)送RTS幀， 在CTS段收到目的節(jié)點回復(fù)的CTS幀后，在DATA段發(fā)送各DATA分幀，并等待回復(fù)的ACK幀； 步驟C-2，如果本節(jié)點在CTS段沒有收到目的節(jié)點回復(fù)的CTS幀，此次預(yù)約主時隙失敗， 再次在RTS段發(fā)送RTS幀，發(fā)送次數(shù)計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重 發(fā)，節(jié)點進入下一個時隙；
步驟C-3，如果本節(jié)點在ACK段收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，根據(jù)ACK幀的內(nèi)容判斷各DATA分幀接收成功與否，若有發(fā)送失敗的DATA分幀，則重新發(fā)送該DATA分幀，發(fā)送次數(shù)為 計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點進入下一個時隙；
步驟C-4，如果本節(jié)點在ACK段沒有收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，則重新發(fā)送DATA幀， 發(fā)送次數(shù)為計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點進入下一個時 隙；
步驟D，當時隙不是本節(jié)點的主時隙時，首先進行偵聽
D-1，若在RTS段收到發(fā)給本節(jié)點的RTS幀，則在CTS段回復(fù)CTS幀，在DATA段接收數(shù) 據(jù)后，在ACK段回復(fù)ACK幀；
D-2，若在RTS段沒有收到發(fā)給本節(jié)點的RTS幀，且在CTS段沒有收到任何CTS幀，則本 節(jié)點進入ALOHA競爭機制
D-2-1，當本節(jié)點有DATA幀需要發(fā)送，先隨機等待一點時間以避免碰撞，發(fā)送前查看本 節(jié)點是否處于接受狀態(tài)，若是，則推遲發(fā)送，直至本節(jié)點未處于接受狀態(tài)，再發(fā)送DATA幀； D-2-2，當本節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)中時，若有幀到來，本節(jié)點將不接收該幀； D-2-3-1，如果本節(jié)點在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，此次DATA幀發(fā)送成 功，若此時該時隙仍未結(jié)束且本節(jié)點還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則仍競爭時隙，若此時該時隙已要結(jié) 束，則進入下一個時隙；
D-2-3-2，如果本節(jié)點在在預(yù)設(shè)時間內(nèi)沒有收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，此次DATA幀發(fā) 送失敗，則重新發(fā)送DATA幀，發(fā)送次數(shù)為計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不 再重發(fā)，若此時該時隙仍未結(jié)束且本節(jié)點還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則仍競爭時隙，若此時該時隙已 要結(jié)束，則進入下一個時隙。進一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議 的實現(xiàn)方法的步驟C-I中，本節(jié)點在其主時隙發(fā)送完DATA幀后，在等待目的節(jié) 點回復(fù)的ACK幀期間，如果又收到了其它節(jié)點的DATA幀，則判斷該幀是否是在
-T^前到達本節(jié)點； 若是，則接收該幀并回復(fù)ACK幀，然后繼續(xù)等待未到達的ACK幀； 若否，則不接收該幀；
其中，時刻代表ACK段的起始時刻，T^代表目的節(jié)點接收本節(jié)點的DATA幀需要的 傳輸時間。進一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法的 步驟D-2中，當本節(jié)點在 時刻發(fā)送DATA幀，在等待回復(fù)的ACK幀期間，又有其他節(jié)點發(fā) 送給本節(jié)點的DATA幀到來，能夠接收到來的DATA幀的條件是該DATA幀的到來時刻不能 遲于 + 2 Tpt -Τ；,，其中T^代表DATA幀的從本節(jié)點到目的節(jié)點的傳播時間，T^代表目 的節(jié)點接收本節(jié)點的ACK幀需要的傳輸時間。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有如下有益效果
傳統(tǒng)TDMA協(xié)議沒有利用信道的空間復(fù)用性，在網(wǎng)絡(luò)負載較低時，導(dǎo)致時隙的浪費；本 發(fā)明利用了信道的空間復(fù)用性，在不影響主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，未與主節(jié)點握手成功 且未收到任何CTS幀的其他節(jié)點可以用ALOHA機制競爭時隙，并在確認等待和數(shù)據(jù)發(fā)送失 敗延遲發(fā)送過程中增加接收數(shù)據(jù)的方法，以實現(xiàn)一個節(jié)點與多個節(jié)點同時通信的方法。概括起來優(yōu)點如下1)利用信道的空間復(fù)用性，未與主節(jié)點握手成功且未收到任何CTS幀的節(jié)點可以在其 他節(jié)點的主時隙內(nèi)用ALOHA機制競爭時隙，并在確認等待和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中 增加接收數(shù)據(jù)的方法，以實現(xiàn)一個節(jié)點與多個節(jié)點同時通信的方法，較傳統(tǒng)TDMA協(xié)議方法 具有更高的網(wǎng)絡(luò)性能；
2)通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，給出了節(jié)點在等待確認信息和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中接收數(shù) 據(jù)的時間約束條件，為工程實現(xiàn)奠定了理論依據(jù)；
3)本方法具有較好的可實現(xiàn)性。


圖1是本發(fā)明的流程框圖。圖2是本發(fā)明的幀結(jié)構(gòu)框圖。圖3是協(xié)議拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是仿真采用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖5是三種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量隨平均負載變化的對比。圖6是三種協(xié)議下低負載時網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量隨平均負載變化的對比。圖7是三種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)平均端到端延遲隨平均負載變化的對比。
具體實施方案
下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述
本發(fā)明針對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信特點，利用信道的空間復(fù)用性和長傳播時延特性， 增加ALOHA機制競爭其他節(jié)點的主時隙，并在確認等待和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中增 加接收數(shù)據(jù)的方法，實現(xiàn)一個節(jié)點與多個節(jié)點同時通信。實施例1
如圖1所示，本發(fā)明包括如下過程
1 .推導(dǎo)節(jié)點在主時隙發(fā)送數(shù)據(jù)后等待確認回復(fù)幀ACK的過程中能夠接收其他節(jié)點數(shù) 據(jù)幀的時間限制；
假設(shè)節(jié)點A和節(jié)點B，節(jié)點B和節(jié)點C之間的距離設(shè)為1，單位為ι ;載體傳播速度F ，單位為Β /ji ；網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率為U，單位為te/S ；數(shù)據(jù)幀(DATA幀)長設(shè)為應(yīng)答幀(ACK 幀)長設(shè)為￡』，幀長的單位為。在節(jié)點B的某一主時隙內(nèi)，假設(shè)IR時刻為RTS段的起始時刻，t c時刻為CTS段的 起始時刻， D時刻為DATA段的起始時刻，t A時刻為ACK段的起始時刻。節(jié)點B已向節(jié)點C 發(fā)送完DATA幀，節(jié)點C回復(fù)節(jié)點B的ACK幀將在i A時刻開始發(fā)出。如果在節(jié)點B等待節(jié)點C回復(fù)的ACK幀期間又收到節(jié)點A的DATA巾貞，為保證節(jié)點 B回復(fù)給節(jié)點A的ACK幀能被節(jié)點A接收到，節(jié)點B開始發(fā)送該ACK幀的時刻不能遲于t ^ 時刻。而節(jié)點B接收節(jié)點A的DATA幀需要的傳輸時間7^為(不考慮幀間間隔時間)
權(quán)利要求
1.一種基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于，包 括如下步驟步驟A，網(wǎng)絡(luò)進行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息； 步驟B，節(jié)點判斷時隙歸屬，根據(jù)時隙是否屬于自己進行下一步動作； 步驟C-I，當時隙是本節(jié)點的主時隙時，若有DATA幀需要發(fā)送，先在RTS段發(fā)送RTS幀， 在CTS段收到目的節(jié)點回復(fù)的CTS幀后，在DATA段發(fā)送各DATA分幀，并等待回復(fù)的ACK幀； 步驟C-2，如果本節(jié)點在CTS段沒有收到目的節(jié)點回復(fù)的CTS幀，此次預(yù)約主時隙失敗， 再次在RTS段發(fā)送RTS幀，發(fā)送次數(shù)計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重 發(fā)，節(jié)點進入下一個時隙；步驟C-3，如果本節(jié)點在ACK段收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，根據(jù)ACK幀的內(nèi)容判斷各 DATA分幀接收成功與否，若有發(fā)送失敗的DATA分幀，則重新發(fā)送該DATA分幀，發(fā)送次數(shù)為 計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點進入下一個時隙；步驟C-4，如果本節(jié)點在ACK段沒有收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，則重新發(fā)送DATA幀， 發(fā)送次數(shù)為計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點進入下一個時 隙；步驟D，當時隙不是本節(jié)點的主時隙時，首先進行偵聽D-1，若在RTS段收到發(fā)給本節(jié)點的RTS幀，則在CTS段回復(fù)CTS幀，在DATA段接收數(shù) 據(jù)后，在ACK段回復(fù)ACK幀；D-2，若在RTS段沒有收到發(fā)給本節(jié)點的RTS幀，且在CTS段沒有收到任何CTS幀，則本 節(jié)點進入ALOHA競爭機制D-2-1，當本節(jié)點有DATA幀需要發(fā)送，先隨機等待一點時間以避免碰撞，發(fā)送前查看本 節(jié)點是否處于接受狀態(tài)，若是，則推遲發(fā)送，直至本節(jié)點未處于接受狀態(tài)，再發(fā)送DATA幀； D-2-2，當本節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)中時，若有幀到來，本節(jié)點將不接收該幀； D-2-3-1，如果本節(jié)點在預(yù)設(shè)時間內(nèi)收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，此次DATA幀發(fā)送成 功；若此時該時隙仍未結(jié)束且本節(jié)點還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則仍競爭時隙；若此時該時隙已要 結(jié)束，則進入下一個時隙；D-2-3-2，如果本節(jié)點在在預(yù)設(shè)時間內(nèi)沒有收到目的節(jié)點應(yīng)答的ACK幀，此次DATA幀發(fā) 送失敗，則重新發(fā)送DATA幀，發(fā)送次數(shù)為計數(shù)器+ 1，當計數(shù)器達到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不 再重發(fā)，若此時該時隙仍未結(jié)束且本節(jié)點還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則仍競爭時隙，若此時該時隙已 要結(jié)束，則進入下一個時隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的 實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟C-I中，本節(jié)點在其主時隙發(fā)送完DATA幀后，在等待目 的節(jié)點回復(fù)的ACK幀期間，如果又收到了其它節(jié)點的DATA幀，則判斷該幀是否是在 。-&前到達本節(jié)點；若是，則接收該幀并回復(fù)ACK幀，然后繼續(xù)等待未到達的ACK幀； 若否，則不接收該幀；其中， ,時刻代表ACK段的起始時刻，T^代表目的節(jié)點接收本節(jié)點的DATA幀需要的 傳輸時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟D-2中，當本節(jié)點在t時刻發(fā)送DATA幀，在等待回復(fù)的ACK幀期間， 又有其他節(jié)點發(fā)送給本節(jié)點的DATA幀到來，能夠接收到來的DATA幀的條件是該DATA幀 的到來時刻不能遲于 + 2 Tpt -7^，其中T^代表DATA幀的從本節(jié)點到目的節(jié)點的傳播 時間，Tat代表目的節(jié)點接收本節(jié)點的ACK幀需要的傳輸時間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于ALOHA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實現(xiàn)方法。該方法基于傳統(tǒng)TDMA機制，按時隙劃分時間，采用半雙工的通信方式，利用水聲通信的長傳播延時特性和信道的空間復(fù)用性，在不影響主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，未與主節(jié)點握手成功且未收到任何CTS幀的其他節(jié)點可以用ALOHA機制競爭時隙，并在確認等待信息和數(shù)據(jù)發(fā)送失敗延遲發(fā)送過程中增加接收數(shù)據(jù)的方法，以實現(xiàn)一個節(jié)點同時與多個節(jié)點通信，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時降低了網(wǎng)絡(luò)端到端延遲。本發(fā)明適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)及其它長傳播時延通信網(wǎng)絡(luò)，易實現(xiàn)，具有較高的實際應(yīng)用價值。
文檔編號H04W80/02GK102098113SQ201110046000
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者方世良, 李啟玲, 李霞, 高翔 申請人:東南大學(xué)