本發(fā)明涉及水聲網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，自上世紀中葉以來，海上軍事應(yīng)用產(chǎn)品以及海洋資源開發(fā)的需求不斷增加，導致對海洋的研發(fā)速度加快，且使得越來越多的科研成果投入到研發(fā)過程中。其中，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得日益廣泛，在海洋數(shù)據(jù)采樣、海嘯地震災難預警、搜救護航、海洋污染監(jiān)控、資源探測、潛艇隱藏與反潛、魚雷制導等方面發(fā)揮著重大作用。與成熟的陸上無線網(wǎng)絡(luò)不同，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)有著環(huán)境惡劣、可用帶寬窄、傳播時延長、信號衰減大、多徑明顯、多普勒頻移等特點。因此，陸上無線通信媒質(zhì)接入控制協(xié)議不能直接用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

作為水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，媒體接入控制協(xié)議需要同時兼顧吞吐量、端到端時延和能耗等性能指標。因此，構(gòu)建一個可靠、高能效、高吞吐量和低時延的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)很有必要。對于有退避機制的媒質(zhì)接入控制協(xié)議，節(jié)點競爭窗口值設(shè)置的偏大或偏小都將影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。例如在文獻《Parrish N,Tracy L,Roy S,et al.System design considerations for undersea networks:Link and multiple access protocols[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2008,26(9):1720-1730》中所提出的CW-MAC協(xié)議，它是在ALOHA協(xié)議基礎(chǔ)上增加了載波偵聽機制，當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，節(jié)點要先偵聽信道，當前信道空閑節(jié)點可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)；當前信道忙碌時，發(fā)送節(jié)點在零到最大競爭窗口值之間隨機選取一個整數(shù)值，再乘上設(shè)定的時隙，把相乘后的值作為退避計數(shù)器初始值進行退避。倒計時結(jié)束后進行數(shù)據(jù)包發(fā)送，在計時過程中，一旦檢測到信道忙碌即暫停計數(shù)器，當信道再次空閑時重啟計時器。網(wǎng)絡(luò)場景發(fā)現(xiàn)變化時，例如傳感器節(jié)點電源能量耗盡使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變少，某些節(jié)點因脫離錨點而改變位置，和布置加入新的傳感節(jié)點等，由于它的競爭窗口長度是預設(shè)固定的，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場景動態(tài)調(diào)整競爭窗口的大小。對于競爭窗口固定的協(xié)議在長時延、高誤碼率、低帶寬的水聲通信中，有以下的不足：

(1)節(jié)點競爭窗口值設(shè)置的越大則該節(jié)點接入信道的概率越低，導致信道利用率低、網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降以及時延較長。相反，節(jié)點競爭窗口值設(shè)置的越小則該節(jié)點接入信道的概率越高，但是會增大發(fā)生碰撞的概率。

(2)由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點所處的地理位置和接收節(jié)點的距離各有差異，若各個節(jié)點設(shè)置相同的競爭窗口值，則會導致不能合理利用信道資源，且當網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，系統(tǒng)也難以通過自我迭代調(diào)節(jié)達到新的最優(yōu)狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法，該方法具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、更低的端到端時延、更低的平均能耗以及更高的單次發(fā)送成功率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法，包括以下步驟：

S1、信道中存在待發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點；

S2、待發(fā)送的節(jié)點檢測信道是否空閑，若信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)包；若信道忙碌，則進入退避階段；

S3、節(jié)點進入退避階段后，初始化水聲網(wǎng)絡(luò)中各個發(fā)送節(jié)點的競爭窗口值，并計算各個發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的傳播時延；

S4、根據(jù)計算所得的傳播時延，計算各個發(fā)送節(jié)點的競爭窗口長度；

S5、將競爭窗口長度作為節(jié)點的退避時長，使用退避計數(shù)器計算退避時長，當退避計數(shù)器減到0時，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包；

S6、完成發(fā)送數(shù)據(jù)包后，信道恢復到空閑狀態(tài)。

進一步地，所述步驟S3中的傳播時延的計算方法如下：

$D(I,R)=\frac{T_{RTT}}{2}=\frac{T_i-T_r}{2}$

其中，D(I,R)表示節(jié)點I和R之間的傳播時延，T_RTT表示往返時間RTT所需要的時間，T_i表示節(jié)點I從發(fā)送詢問包到收到節(jié)點R的應(yīng)答包之間的時間長度，T_r表示節(jié)點R收到節(jié)點I的詢問包到它發(fā)送應(yīng)答包之間的時間長度。

進一步地，所述步驟S4中的競爭窗口長度的計算方法為：

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個發(fā)送節(jié)點均勻分布在半徑為A的圓形區(qū)域內(nèi)，圓內(nèi)所有節(jié)點均互相可達，信號在圓形區(qū)域內(nèi)傳播速度不變，令速度集合為S＝{S₁,S₂,…,S_n}，對應(yīng)發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳播時延的集合為D＝{D₁,D₂,…,D_n}，則發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的平均傳播時延D_avg為：

$D_{avg}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i$

對于發(fā)送節(jié)點i的競爭窗口CW_i長度為：

${\mathrm{CW}}_i=1+\frac{\mathrm{\α}\×(D_i-D_{avg})}{D_{avg}}$

其中，α為形變因子。

進一步地，所述對于發(fā)送節(jié)點i的競爭窗口CW_i，其調(diào)節(jié)流程為：

S41、初始化發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值；

S42、用往返時間計算發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳播時延；

S43、用傳播時延計算各個發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值；

S44、重新設(shè)置各發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值。

進一步地，所述形變因子α取值為1.25。

進一步地，所述傳播時延指發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳播時延，發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的不同距離表示其之間的傳播時延也是不同的，且所述傳播時延正比于兩節(jié)點之間的距離。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，系統(tǒng)能通過自我迭代調(diào)節(jié)到新的最優(yōu)狀態(tài)，使能夠合理利用信道資源，且保持網(wǎng)絡(luò)吞吐量在較高水平。

2、本發(fā)明的水聲網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)各個發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的距離之間的差異，對各個發(fā)送節(jié)點設(shè)置不同的競爭窗口值，使得本發(fā)明具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、更低的端到端時延、更低的平均能耗以及更高的單次發(fā)送成功率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法的星形網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；

圖2為本發(fā)明一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法的步驟流程圖。

圖3為本發(fā)明一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法的用往返時間計算傳播時延圖。

圖4為本發(fā)明一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法的競爭窗口分布式接入方法的子流程圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

實施例

本發(fā)明采用的是星形匯聚網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，接收節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中心，網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送節(jié)點均勻分布并能夠偵聽到其它節(jié)點的信號。

如圖2所示，本發(fā)明提供一種適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的分布式競爭窗口接入方法，步驟如下：

S1、信道中存在待發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點；

S2、待發(fā)送的節(jié)點檢測信道是否空閑，若信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)包；若信道忙碌，則進入退避階段；

S3、節(jié)點進入退避階段后，初始化水聲網(wǎng)絡(luò)中各個發(fā)送節(jié)點的競爭窗口值，并計算各個發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的傳播時延；傳播時延具體指發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳播時延，發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的不同距離表示其之間的傳播時延也是不同的，且所述傳播時延正比于兩節(jié)點之間的距離；

S4、根據(jù)計算所得的傳播時延，計算各個發(fā)送節(jié)點的競爭窗口長度；

S5、將競爭窗口長度作為節(jié)點的退避時長，使用退避計數(shù)器計算退避時長，當退避計數(shù)器減到0時，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包；

S6、完成發(fā)送數(shù)據(jù)包后，信道恢復到空閑狀態(tài)。

其中傳播時延的測定可以使用測量往返時間RTT(Round-Trip Time)的方法獲得。

如圖3所示，節(jié)點I發(fā)送一個詢問包后，同時保存自己的發(fā)包時間t_send(I|T＝I)，其中T＝I表示在節(jié)點I時間軸上，節(jié)點R收到詢問包后，記下收包時間t_rece(I→R|T＝R)，然后發(fā)送應(yīng)答包，在應(yīng)答包中加入收包時間和發(fā)送時刻t_send(R|T＝R)的兩個時刻的時間戳，節(jié)點I收到應(yīng)答包記錄收包時間t_rece(R→I|T＝I)，然后通過兩節(jié)點收發(fā)時刻相減可以算出圖3中時間間隔T_r和T_i，然后節(jié)點I和節(jié)點R之間的傳播時延就可采用以下方法計算：

$D(I,R)=\frac{T_{RTT}}{2}=\frac{T_i-T_r}{2}$

其中，D(I,R)表示節(jié)點I和節(jié)點R之間的傳播時延，T_RTT表示往返時間RTT所需要的時間，T_i表示節(jié)點I從發(fā)送詢問包到收到節(jié)點R的應(yīng)答包之間的時間長度，T_r表示節(jié)點R收到節(jié)點I的詢問包到它發(fā)送應(yīng)答包之間的時間長度。為使符號簡化表達，可令：D_i＝D(I,R)。

競爭窗口長度計算方法為：根據(jù)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的不同距離，制定一種發(fā)送節(jié)點分布式競爭窗口值的方法。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個發(fā)送節(jié)點，其集合為S＝{S₁,S₂,…,S_n}，發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的傳播時延集合為D＝{D₁,D₂,…,D_n}，則發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的平均傳播時延為：

$D_{avg}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(1\right)$

根據(jù)上文所述，對于距離接收節(jié)點近的發(fā)送節(jié)點，其競爭窗口值變小即可；反之距離接收節(jié)點較遠的發(fā)送節(jié)點，時使其競爭窗口的值變大。對于發(fā)送節(jié)點i可使其競爭窗口CW_i滿足：

${\mathrm{CW}}_i=1+\frac{\mathrm{\α}\×(D_i-D_{avg})}{D_{avg}}---\left(2\right)$

α為形變因子，取1.25。發(fā)送節(jié)點競爭窗口的調(diào)節(jié)流程。發(fā)送節(jié)點計算各自競爭窗口值的時候使用式(1)和式(2)。把優(yōu)化后的競爭窗口長度作為退避計數(shù)器的長度，當退避計數(shù)器減到0時，該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

如圖4所示，發(fā)送節(jié)點競爭窗口的調(diào)節(jié)流程為：

1、初始化發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值；

2、用往返時間計算發(fā)送節(jié)點到接受節(jié)點的傳播時延；

3、用傳播時延計算各個發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值；

4、重新設(shè)置各發(fā)送節(jié)點競爭窗口的值。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。