本發(fā)明涉及一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Sensor Networks，UWSNs)多信道介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議通信方法，具體說是一種動態(tài)信道協(xié)商的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議通信方法。

背景技術(shù)：

UWSNs在海洋資源勘測、環(huán)境污染監(jiān)測、水下輔助導(dǎo)航和監(jiān)視等方面有非常廣泛的應(yīng)用前景。MAC協(xié)議作為UWSNs中的關(guān)鍵問題，近年來受到了很高的重視。隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，UWSNs實現(xiàn)了多信道通信技術(shù)。為了更好的利用水下帶寬資源，將總信道資源劃分為若干個子信道，通過多個子信道同時傳輸數(shù)據(jù)來提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。由于UWSNs多信道網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在多信道收發(fā)設(shè)備昂貴以及三重隱終端問題，所以針對多信道水下傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計MAC協(xié)議具有重大的意義。

針對UWSNs傳輸時延較長帶來的三重隱藏終端問題，Jun-Hong Cui等人提出了基于合作的水下多信道MAC協(xié)議通信方法(Cooperative Underwater Multichannel MAC，CUMAC)。CUMAC在接收節(jié)點收到發(fā)送請求之后，詢問鄰居節(jié)點選擇的信道是否會發(fā)生碰撞，通過與鄰居節(jié)點的合作機制來減少碰撞發(fā)生的概率；但是該方法的局限性在于，不僅需要一個額外的設(shè)備來發(fā)送合作信息，并且為了降低碰撞率該協(xié)議會一直詢問鄰居節(jié)點，直到所有鄰居節(jié)點都認(rèn)為選擇的信道不會產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的通信消耗。

Kaarthikeyan S等人提出了動態(tài)占空比的多跳冗雜多信道MAC協(xié)議通信方法(Dynamic Duty-cycled Multiple-Rendezvous MultiChannel MAC，DMM-MAC)。DMM-MAC通過動態(tài)占空比的循環(huán)仲裁系統(tǒng)來減少在多跳高負(fù)載和突發(fā)流量情況下碰撞發(fā)生的概率。但是該方法僅適用于多跳高負(fù)載中突發(fā)流量的應(yīng)用場景，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時通信效率很低，網(wǎng)絡(luò)性能也隨之下降。

Yishan Su等人提出了節(jié)能的多信道MAC協(xié)議通信方法(Underwater Multi-channel MAC Protocol，UMMAC)。UMMAC通過信道分配和能量控制算法(Channel Allocation And Power Control Algorithm，CAPC)進行信道協(xié)商。該方法能夠有效的減少網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，并且有較低的碰撞率，但是該方法的局限性在于所有的節(jié)點必須都在彼此的一跳通信范圍內(nèi)即僅考慮了一個沖突域，無法適用于多跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能提高了網(wǎng)絡(luò)性能，在分布式環(huán)境下具有較強的適應(yīng)性的動態(tài)信道協(xié)商的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道介質(zhì)訪問控制通信方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)將整個通信鏈路劃分成一個控制信道和若干個數(shù)據(jù)信道，節(jié)點在無數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時，采用睡眠喚醒機制監(jiān)聽控制信道，記錄自己一跳范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況、可用信道列表以及鄰居節(jié)點信息，將有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點定義為發(fā)送節(jié)點，將有數(shù)據(jù)接收的節(jié)點定義為接收節(jié)點，將無數(shù)據(jù)發(fā)送接收的節(jié)點定義為空閑節(jié)點；

(2)當(dāng)發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，在控制信道空閑時發(fā)送請求包即RTS，如果目標(biāo)節(jié)點收到該RTS，則執(zhí)行步驟(3)，如果發(fā)送節(jié)點收到CTS，則直接切換到CTS中協(xié)商好的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸；如果發(fā)送節(jié)點收到等待消除發(fā)送包即WCTS，則開啟定時器，如果發(fā)送節(jié)點在定時器超時之前收到CTS，則同樣切換到CTS中包含數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸；否則在定時器超時之后切換到WCTS中協(xié)商的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸；

(3)當(dāng)節(jié)點收到來自發(fā)送節(jié)點的RTS時，從可用信道列表中選擇一個數(shù)據(jù)信道，根據(jù)RTS中包含的發(fā)送數(shù)據(jù)包長度P和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L動態(tài)的采用不同的信道協(xié)商策略；

(4)空閑節(jié)點通過睡眠喚醒機制監(jiān)聽控制信道，當(dāng)監(jiān)聽到RTS和CTS時，更新本地網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L、信道占用列表以及鄰居信息表；當(dāng)監(jiān)聽到WCTS時，根據(jù)WCTS中的修正節(jié)點列表判斷是否有權(quán)限進行信道修正；如果具有修正權(quán)限，則根據(jù)本地可用信道列表判斷WCTS中詢問的信道是否會產(chǎn)生碰撞，如果會產(chǎn)生碰撞則在本地可用信道列表中選擇最低的數(shù)據(jù)信道，并在WCTS中指定的時間發(fā)送XCTS；如果不具有修正權(quán)限或者不會產(chǎn)生碰撞，則空閑節(jié)點保持沉默；

(5)接收節(jié)點發(fā)送CTS之后，切換至數(shù)據(jù)信道等待接收數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點收到CTS或者收到WCTS并超時之后，切換至數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)發(fā)送，接收節(jié)點正確接收完數(shù)據(jù)，向發(fā)送節(jié)點發(fā)送確認(rèn)包即ACK，整個通信過程完成，超時后發(fā)送節(jié)點如果沒有收到ACK，將重新發(fā)起RTS進行重傳。

所述不同的信道協(xié)商策略包括：當(dāng)數(shù)據(jù)包長P小于包長閾值P_f并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L小于L_f時，直接回復(fù)CTS通知發(fā)送節(jié)點選定的數(shù)據(jù)信道；否則，采用基于合作修正的信道協(xié)商過程，發(fā)送WCTS詢問鄰居節(jié)點選擇的信道是否會產(chǎn)生碰撞，在鄰居節(jié)點中回復(fù)的修正清除發(fā)送包即XCTS中選擇出現(xiàn)頻率最高的信道作為最終的數(shù)據(jù)信道，回復(fù)CTS通知發(fā)送節(jié)點。

本發(fā)明的提出了一種動態(tài)信道協(xié)商策略的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議通信方法，該方法根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度和接收節(jié)點一跳范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況采用不同的信道協(xié)商策略，在數(shù)據(jù)包長較小并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時采用簡單的信道協(xié)商過程；否則，采用消除發(fā)送包(Clear To Send，CTS)修正的信道協(xié)商過程，在分布式環(huán)境下具有更強的適應(yīng)性。

本發(fā)明的有益效果是：通過結(jié)合數(shù)據(jù)包長以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)的采用不同的信道協(xié)商策略，使得在短數(shù)據(jù)包和低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時采用簡單直接的信道協(xié)商過程，使傳輸更高效；否則采用基于合作修正的信道協(xié)商策略，降低了碰撞發(fā)生的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，在分布式環(huán)境下具有較強的適應(yīng)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作時序圖。

圖2是控制幀格式圖。

圖3是最小間距示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的具體過程如下：

(1)本發(fā)明將整個通信鏈路劃分成一個控制信道和若干個數(shù)據(jù)信道。節(jié)點在無數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時，采用睡眠喚醒機制監(jiān)聽控制信道，記錄自己一跳范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況、可用信道列表以及鄰居節(jié)點信息。為了便于描述，將有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點定義為發(fā)送節(jié)點，將有數(shù)據(jù)接收的節(jié)點定義為接收節(jié)點，將無數(shù)據(jù)發(fā)送接收的節(jié)點定義為空閑節(jié)點。

(2)當(dāng)發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，在控制信道空閑時發(fā)送請求包(Request To Send，RTS)。如果目標(biāo)節(jié)點收到該RTS，則執(zhí)行步驟(3)。如果發(fā)送節(jié)點收到CTS，則直接切換到CTS中協(xié)商好的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸；如果發(fā)送節(jié)點收到等待消除發(fā)送包(Waitting Clear To Send，WCTS)，則開啟定時器。如果發(fā)送節(jié)點在定時器超時之前收到CTS，則同樣切換到CTS中包含數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸；否則在定時器超時之后切換到WCTS中協(xié)商的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

(3)當(dāng)節(jié)點收到來自發(fā)送節(jié)點的RTS時，從可用信道列表中選擇一個數(shù)據(jù)信道，根據(jù)RTS中包含的發(fā)送數(shù)據(jù)包長度P和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L動態(tài)的采用不同的信道協(xié)商策略。當(dāng)數(shù)據(jù)包長P小于包長閾值P_f并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L小于L_f時，直接回復(fù)CTS通知發(fā)送節(jié)點選定的數(shù)據(jù)信道；否則，采用基于合作修正的信道協(xié)商過程，發(fā)送WCTS詢問鄰居節(jié)點選擇的信道是否會產(chǎn)生碰撞，在鄰居節(jié)點中回復(fù)的修正清除發(fā)送包(X Clear To Send，XCTS)中選擇出現(xiàn)頻率最高的信道作為最終的數(shù)據(jù)信道，回復(fù)CTS通知發(fā)送節(jié)點。

(4)空閑節(jié)點通過睡眠喚醒機制監(jiān)聽控制信道，當(dāng)監(jiān)聽到RTS和CTS時，更新本地網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)L、信道占用列表以及鄰居信息表；當(dāng)監(jiān)聽到WCTS時，根據(jù)WCTS中的修正節(jié)點列表判斷是否有權(quán)限進行信道修正；如果具有修正權(quán)限，則根據(jù)本地可用信道列表判斷WCTS中詢問的信道是否會產(chǎn)生碰撞，如果會產(chǎn)生碰撞則在本地可用信道列表中選擇最低的數(shù)據(jù)信道，并在WCTS中指定的時間發(fā)送XCTS；如果不具有修正權(quán)限或者不會產(chǎn)生碰撞，則空閑節(jié)點保持沉默。

(5)接收節(jié)點發(fā)送CTS之后，切換至數(shù)據(jù)信道等待接收數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點收到CTS或者收到WCTS并超時之后，切換至數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)發(fā)送。接收節(jié)點正確接收完數(shù)據(jù)，向發(fā)送節(jié)點發(fā)送確認(rèn)包(Acknowledgement，ACK)，整個通信過程完成，超時后發(fā)送節(jié)點如果沒有收到ACK，將會重新發(fā)起RTS進行重傳。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提出的動態(tài)信道協(xié)商策略的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議做進一步詳細(xì)描述：

(1)協(xié)議幀格式：

如圖2所示，所有控制幀中都包含發(fā)送節(jié)點標(biāo)識、接收節(jié)點標(biāo)識、時間戳以及包類型，分別用來區(qū)分雙方節(jié)點、控制幀發(fā)送時間以及控制幀的類型。RTS幀中包含可用信道列表和數(shù)據(jù)包長，可用信道列表用于通知接收節(jié)點自己當(dāng)前的可用信道，數(shù)據(jù)包長表示發(fā)送節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度。CTS中包含信道號，即接收節(jié)點協(xié)商之后的數(shù)據(jù)信道。WCTS幀格式中包含等待時間和修正列表，等待時間是節(jié)點發(fā)送修正數(shù)據(jù)包XCTS的時間，修正列表用于標(biāo)識哪些節(jié)點具有修正的權(quán)限。XCTS幀格式具有很短的幀長，僅包含接收節(jié)點標(biāo)識和信道號，信道號為給出的建議數(shù)據(jù)信道號。

(2)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)：

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)用來衡量節(jié)點一跳范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，它與當(dāng)前節(jié)點一跳范圍內(nèi)正在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)量成正比，表達(dá)式為：

其中，L(t)是在t時刻的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)，N(t)是在t時刻正在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點的數(shù)量，C是節(jié)點的數(shù)據(jù)信道的數(shù)量，是一個常量。

正在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)量為指定時間段內(nèi)成功的信道協(xié)商次數(shù)之和，表達(dá)式如下：

其中，Δt是時間段區(qū)間長度，N_p(t)是t時刻成功的信道協(xié)商次數(shù)。

成功的信道協(xié)商次數(shù)與當(dāng)前的控制包的數(shù)量有關(guān)，其表達(dá)式如下：

N_p(t)＝N_rts(t)+N_cts(t)+N_wcts(t)-N_ack(t) (3)

其中，N_rts(t)是t時刻之前所有RTS幀的數(shù)量，N_cts(t)表示t時刻之前所有CTS幀的數(shù)量，N_wcts(t)是t時刻之前所有WCTS的數(shù)量，N_ack(t)是t時刻之前所有的應(yīng)答幀ACK的數(shù)量。

聯(lián)立公式(1)、(2)、(3)，得到最終的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載指數(shù)如下：

(3)生成修正節(jié)點列表和修正發(fā)起時間：

當(dāng)接收節(jié)點采取基于合作修正的信道協(xié)商過程時，首先從可用信道列表中選擇一個數(shù)據(jù)信道，然后從自己的鄰居節(jié)點中通過公式(5)選取部分節(jié)點，這些節(jié)點將有權(quán)對選擇的信道進行修正，通過公式(6)產(chǎn)生修正發(fā)起時間。

本發(fā)明將在接收節(jié)點的鄰居節(jié)點中選取一系列的節(jié)點，使得這些節(jié)點中不存在任意兩個節(jié)點到接收節(jié)點的距離之差小于距離閾值d，來避免修正數(shù)據(jù)包XCTS的碰撞。如圖3所示，節(jié)點A和節(jié)點C在同一時刻向B發(fā)送相同長度的數(shù)據(jù)包，要使B能正確接收數(shù)據(jù)不產(chǎn)生碰撞，則需要B距離A、C的距離之差大于距離閾值d。

節(jié)點的發(fā)送時延與數(shù)據(jù)包長和發(fā)送速率有關(guān)系，其表達(dá)式如下：

其中，T_S是發(fā)送時延，P_l是數(shù)據(jù)包長，r表示節(jié)點的發(fā)送速率。

節(jié)點的傳播時延與節(jié)點間的距離和聲的傳播速度關(guān)系，其表達(dá)式如下：

其中，T_p是傳播時延，D是節(jié)點之間的距離，v表示水下聲傳播的速度1500m/s。

如圖3所示的時間點之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

T_c＝T₀+2T_S+T_p (7)

T_c-T_a＞0 (9)

其中，T_c是節(jié)點C發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點B的時間，T₀是節(jié)點A和節(jié)點C的起始發(fā)送時間，d表示節(jié)點A和節(jié)點C距離節(jié)點B的距離之差的絕對值。

聯(lián)立公式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)得到最小間距d如下：

為了避免混雜XCTS碰撞，接收節(jié)點會在發(fā)送WCTS前，按照如下公式產(chǎn)生修正時間：

其中，T_x是XCTS發(fā)送時間，T_x1,T_x2...T_xn分別為接收節(jié)點的鄰居節(jié)點最近產(chǎn)生的XCTS發(fā)送時間，R為節(jié)點最大傳輸半徑，T_guard為保護時間。

本發(fā)明在整個通信過程中會根據(jù)數(shù)據(jù)包長和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，動態(tài)的采用不同的信道協(xié)商策略，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能，并在分布式環(huán)境下有更強的適應(yīng)性。