水聲傳感器網絡長延遲情況下的mac協議實現方法
2023-06-21 21:56:01 1
專利名稱：水聲傳感器網絡長延遲情況下的mac協議實現方法
技術領域：
本發明涉及一種基於CSMA/CA和TDMA的水聲傳感器網絡MAC層協議的實現方法， 屬於水聲信號處理技術領域。
背景技術：
TDMA (Time Division Multiple Access，時分多址)，是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再被分割成若干個時隙用於發送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站發向多個移動終端的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發給它的信號區分並接收下來。網絡吞吐量和端到端延遲是體現網絡性能的基本技術指標，傳統TDMA的MAC協議在網絡負載較低時，會出現某些節點可能在其時隙期間無數據可發，而其他節點又不能利用該時隙，導致時隙的浪費，降低了網絡吞吐量，增加了端到端延遲，其原因是忽略了信道的空間復用性。CSMA/CA協議是指帶有衝突避免的載波偵聽多路訪問，發送包的同時不能檢測到信道上有無衝突，只能儘量「避免」。發出數據前，先發送一個RTS (Request to send，請求傳送)報文給目標端，等待目標端回應CTS (Clear to send，清除發送)報文後，才開始發送數據。利用RTS-CTS握手機制，確保接下來傳送數據時，不會碰撞。同時由於RTS-CTS幀都很小，所以傳送的無效開銷較小。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對傳統的基於TDMA的MAC協議信道利用率不高的缺點，在傳統TDMA協議的基礎上增加CSMA/CA競爭機制，提出一種基於CSMA/CA和TDMA 的水聲傳感器網絡MAC層協議的實現方法。本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案
一種水聲傳感器網絡長延遲情況下的MAC協議實現方法，包括如下步驟 A，網絡進行初始化，建立網絡節點拓撲結構信息，將時間幀劃分成若干個時隙，每個時隙依次由優先段、競爭段、數據段、應答段組成，其中優先段包括PRTS段，PCTS段；競爭段包括 CRTS 段，CCTS 段；
B，發送時隙，當前節點通過比較時隙號與節點號，判斷該時隙是否屬於本節點的主時隙進行下一步動作；
C，當時隙是本節點的主時隙時，判斷本節點是否有數據需要發送 C-I,當本節點有數據要發送時，先在PRTS段發送PRTS幀，然後判斷是否在PCTS段收到目的節點回復的PCTS幀；
C-1-1，當本節點在PCTS段收到目的節點回復的PCTS幀時，本節點先廣播JAM幀，然後在CRTS段判斷是否收到回復給本節點的CRTS幀；
C-1-1-1，當收到回復給本節點的CRTS幀時，則本節點回復CCTS幀給優先級最高的節點，然後在數據段發送各數據分幀，並在應答段等待目的節點回復的應答幀； 根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；
當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙；
C-1-1-2，當沒有收到回復給本節點的CRTS幀時，則本節點在數據段發送各數據分幀， 在應答段等待目的節點回復的應答幀；
根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；
當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙；
C-1-2，當本節點在PCTS段沒有收到目的節點回復的PCTS幀，此次預約主時隙失敗，發送次數計數器+ 1，同時在CRTS段偵聽CRTS幀，如果握手成功，則接收數據，接收完畢後發送應答幀給發送方；反之不動作；
當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙； C-2，當本節點沒有數據發送時，則偵聽PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，則接收數據，接收完畢後發送應答幀給發送方；如果握手不成功，則節點進入下一個時隙；
D，當時隙不是本節點的主時隙時，首先判斷本節點是否有數據要發送，如果本節點沒有數據要發送，則進入C-2步驟，如果本節點有數據要發送，則首先偵聽優先段
D-1，當在優先段收到的是PCTS幀，則丟棄該PCTS幀進入下一時隙，以免與主節點衝
突；
當在優先段收到的是PRTS幀，則判斷該PRTS幀的目的地址是否是本節點當結果為是，則在PCTS段回復PCTS幀，在數據段接收數據後，在應答段回復應答幀；進入下一個時隙；當結果為否，則進入D-2-1步驟；
D-2，當在PRTS段沒有收到發給本節點的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀， 則本節點進入CSMA/CA競爭機制
D-2-1，在競爭段發送CRTS幀進行競爭，同時偵聽其他節點的CRTS幀； 當節點發送CRTS後，在CCTS段內收到發給本節點的CCTS幀回復後沒有收到主節點的 JAM幀；且在偵聽到的CRTS幀的源節點中，本節點的優先級別不是最高的；則本節點在收到 CRTS幀後，在CRTS段結束時發送CCTS幀，在數據段進入發送數據狀態，在應答段等待目的節點回復的應答幀；
D-2-2，當節點發送CRTS後，在CCTS段內偵聽到主節點發送的JAM幀和回復的CCTS幀， 或者未收到任何的CCTS幀，節點將進入等待狀態，延遲一段時間再進入發送數據狀態；
D-2-3，當本節點處於發送數據狀態中時，當有數據幀到來，本節點將不接收該數據幀， 當節點已發送完畢CCTS幀，則直接進入接收數據狀態，接收完成後在應答段發送應答幀； D-2-4，根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；
當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙。
5
進一步的，本發明的水聲傳感器網絡長延遲情況下的MAC協議實現方法，當本節點在其主時隙發送完數據幀後，在等待目的節點回復的應答幀期間，如果又收到了其它節點的數據幀，則判斷該幀是否是在規定的時間 1 A+TAT+TDe前到達本節點；
當結果為是，則接收該幀並回復應答幀，然後繼續等待未到達的應答幀； 當結果為否，則不接收該幀；
其中，。時刻代表應答段的起始時刻，Tat代表目的節點接收本節點的數據幀需要的傳輸時間，&為延遲時間。本發明採用以上技術方案具有如下優點
1)利用信道的空間復用性，在PRTS段沒有收到發給本節點的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀的其他節點可以適用水聲通信的CSMA/CA機制競爭時隙，以提高信道利
用率；
2)利用水聲傳感器網絡長傳播時延的特點，採用在等待確認信息過程中增加接收數據過程的方法，實現一個節點與多個節點同時通信的目的，較傳統TDMA協議方法具有更高的網絡性能。本發明充分利用水聲通信長傳播時延的特點和信道的空間復用性，允許節點向等待應答確認幀的節點發送數據，允許其周圍節點均空閒的節點發送數據，並且允許任何在等待應答確認幀的節點接收數據，有效提高了信道的利用率和網絡吞吐量，降低數據的端到端延遲，具有較好的可實現性。
圖1是本發明的流程框圖。圖2是本發明的幀結構框圖。圖3是協議拓撲結構示意圖。圖4是本發明中一個節點與兩個節點同時通信實例圖。圖5是仿真採用的網絡拓撲結構圖。圖6是三種協議下網絡平均吞吐量隨平均負載變化的對比圖。圖7是三種協議下能量消耗性能隨平均負載變化的對比圖。圖8是三種協議下網絡平均端到端延遲隨平均負載變化的對比圖。
具體實施方案下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步詳細說明。本發明針對水聲傳感器網絡的通信特點，利用信道的空間復用性和長傳播時延特性，增加CSMA/CA機制競爭其他節點的主時隙，在傳統TDMA協議的基礎上增加CSMA/CA競爭機制，並利用水聲通信的的長傳播延遲特點和信道的空間復用性，允許節點向等待應答確認幀的節點發送數據，允許其周圍節點均空閒的節點發送數據，並且允許任何在等待應答確認幀的節點接收數據，有效提高了網絡吞吐量，降低數據的端到端延遲，實現了一個節點與多個節點同時通信。實施例1如圖1所示，本發明的具體流程如下
1、網絡進行初始化，建立網絡拓撲結構信息，
2、節點判斷時隙歸屬，根據時隙是否屬於自己進行下一步動作，
3、如果到來的時隙是自己的主時隙，且沒有數據要發，偵聽CRTS幀，如果握手成功， 則接收數據，
4、如果到來的時隙是自己的主時隙，且有數據要發，則節點在時隙的PRTS段開始時向目的節點發送PRTS幀。收到此節點的PRTS幀的其他節點，判斷PRTS幀中的目的地址是否是自己，若是自己，則在PCTS段開始時回復PCTS幀，
5、如果節點收到目的節點回復的PCTS幀，則節點成功預約了主時隙，因可靠廣播要求兩跳範圍內同一時刻最多只能有一個節點發送數據，故其它收到PCTS幀的節點均不再競爭信道，這樣就緩解了隱終端問題，
6、當節點成功預約了主時隙後，發送JAM幀，以使節點的鄰居節點不能接收其他節點的數據，以免造成衝突；
7、主節點發送JAM幀後，偵聽CRTS幀，如果收到目的節點為節點B的CRTS幀，則回復 CCTS給優先級別最高的CCTS的源節點；然後在數據段發送數據，並根據應答幀的接收情況決定重發或者放棄發送，
8、如果在PCTS段結束時節點未收到目的節點回復的PCTS幀，則節點預約主時隙失敗， 計數器加一，若該數據包已經5次失敗發送，則將該數據包從MAC層的緩存隊列中刪除，放棄發送，同時偵聽CRTS幀，如果別的節點與本節點握手成功，則接收數據，反之，不動作，
9、如果節點需要競爭其他節點的主時隙，則在優先段時其處於偵聽狀態，若發現信道有PCTS幀傳輸，則該時隙不發送以避免與主節點衝突；若發現信道有目的節點是本節點的 PRTS幀，則在優先段回復PCTS幀，然後在數據段接收數據，應答段回復應答，
10、如果節點需要競爭其他節點的主時隙，若未發現信道有PCTS幀傳輸並且即使有 PRTS幀傳輸但目的地址不是本節點，則可在競爭段發送CRTS幀，以請求獲得該時隙的使用權，
11、如果節點需要競爭其他節點的主時隙，若在本節點和偵聽到的CRTS幀的源節點中，本節點的優先級別不是最高，且有發給本節點的CRTS幀，且未收到JAM幀，則回復CCTS 幀給偵聽到的優先級別最高的CRTS的源節點，準備接收數據，
12、如果節點需要競爭其他節點的主時隙，若不執行10，且接收到CCTS幀回復，則成功獲得該時隙的使用權，再判斷若沒有收到過JAM幀，則在數據段到來時發送數據，若收到過 JAM幀，則在數據段到來時延遲一段時間再開始發送數據，以避免與主節點發送的數據衝突，並根據應答幀的接收情況決定重發或者放棄發送，
13、如果節點需要競爭其他節點的主時隙，若節點沒有回覆CCTS且沒有接收到CCTS回復，則也成功地獲得該時隙的使用權，在數據段到來時延遲一段時間再開始發送數據，以避免與其他節點發送的數據衝突，然後根據應答幀的接收情況決定重發或者放棄發送。
如圖2所示，本發明的幀結構框圖中，每個時間幀被分為η個時隙，η為網絡中的節點數，每個時隙依次由PRTS段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，數據段，應答段組成。對於非主節點來說，CRTS段和CCTS段組成競爭階段，節點在此階段內可以適用水聲通信的CSMA/ CA機制競爭時隙。其中，PRTS、PCTS分別代表優先段的請求傳送和清除發送；CRTS、CCTS分別代表競爭段的請求發送和清除發送。如圖3所示，本發明的協議拓撲結構示意圖，虛線圓代表節點的通信範圍，可以看到節點A和節點C都在節點B的通信範圍內，但節點A與節點C都不在彼此的通信範圍內， 不能直接通信，但可以通過節點B中繼進行通信。根據本發明，節點B向節點C發送數據幀後，在等待節點C回復的應答幀時，可以接收節點A發給節點B的數據幀並回復應答幀，而不影響節點B與節點C之間的通信，從而實現一個節點與多個節點同時通信。如圖4中，節點B已取得時隙使用權，在數據段到來時發送數據幀給節點A。節點 C也取得時隙的使用權，但因為節點採用半雙工的通訊方式，節點C需延時一段時間再發送數據幀給節點B，以避免節點C發送的數據幀到達節點B時節點B仍在發送數據而導致此數據幀不能被成功接收。節點A收到節點B的數據幀，然後在應答段到來時回復應答幀。因節點B收到的數據幀的源節點(節點C)在發送數據時是採用延時策略的，故節點B在回復應答幀時也要延時一段時間，以免與其他節點發送的應答幀碰撞。節點B回復完應答幀後接收到節點A回復給本節點的應答幀。節點C也收到了節點B回復的應答幀。這樣，節點 B成功地在一個時隙內同時與節點A和節點C通信。實施例2
針對圖5所示的網絡拓撲結構，仿真參數分別為信號傳播速度C= 1500 m /s，節點的通信範圍/沢=1500 ，網絡的數據率々=1000 bit / ·5，數據幀長4 = 1024 bits,
RTS和CTS幀長乙=88力its，應答幀長=104力its，計數器的預設門限為5，信道差錯率為0. 003，MAC層緩衝隊列大小為256000力its，仿真時間為Ih0幀長為11. 3 ^，其中PRTS 段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，數據段，應答段的持續時間分別為1. 1 5,1.1 2 .15,1.1 5,4.6 5,1.3 S。仿真事務流的包產生時間間隔為定值，總共仿真了 37組事務流，到達時間間隔分別為 5 s,6 s,7 s,8 s,9 s, 10 5,15 5,20 5,25 5,30 5,35 5,40 5,45 5,50 5,55 5,60 5,65 s,70 s,75 s,80 s,85 s,90 s,95 s,100 5,110 5,130 5,150 5,170 5,200 5, 230 5,260 5,300 5,330 5,360 5,400 5,450 5,500 s。仿真例中將傳統簡單的TDMA協議稱為STDMA協議，另外，將僅在AGENT協議的基礎上增加應答段，而並不增加節點在等待確認信息過程中接收數據過程的方法稱為 C-AGENT協議。通過仿真得到了 C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實現方法在數據幀幀長為10 bits時的網絡平均吞吐量隨網絡平均負載變化的對比圖，如圖6所示。C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實現方法在數據幀幀長為10 bits時的能量消耗性能隨平均負載變化的對比圖，如圖7所示。C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實現方法在數據幀幀長為10 bits時的網絡平均端到端延遲隨網絡平均負載變化的對比圖，如圖8所示。
權利要求
1. 一種水聲傳感器網絡長延遲情況下的MAC協議實現方法，其特徵在於，包括如下步驟A，網絡進行初始化，建立網絡節點拓撲結構信息，將時間幀劃分成若干個時隙，每個時隙依次由優先段、競爭段、數據段、應答段組成，其中優先段包括PRTS段，PCTS段；競爭段包括 CRTS 段，CCTS 段；B，發送時隙，當前節點通過比較時隙號與節點號，判斷該時隙是否屬於本節點的主時隙進行下一步動作；C，當時隙是本節點的主時隙時，判斷本節點是否有數據需要發送 C-I,當本節點有數據要發送時，先在PRTS段發送PRTS幀，然後判斷是否在PCTS段收到目的節點回復的PCTS幀；C-1-1，當本節點在PCTS段收到目的節點回復的PCTS幀時，本節點先廣播JAM巾貞，然後在CRTS段判斷是否收到回復給本節點的CRTS幀；C-1-1-1，當收到回復給本節點的CRTS幀時，則本節點回復CCTS幀給優先級最高的節點，然後在數據段發送各數據分幀，並在應答段等待目的節點回復的應答幀； 根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙；C-1-1-2，當沒有收到回復給本節點的CRTS幀時，則本節點在數據段發送各數據分幀， 在應答段等待目的節點回復的應答幀；根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙；C-1-2，當本節點在PCTS段沒有收到目的節點回復的PCTS幀，此次預約主時隙失敗，發送次數計數器+ 1，同時在CRTS段偵聽CRTS幀，如果握手成功，則接收數據，接收完畢後發送應答幀給發送方；反之不動作；當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙； C-2，當本節點沒有數據發送時，則偵聽PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，則接收數據，接收完畢後發送應答幀給發送方；如果握手不成功，則節點進入下一個時隙；D，當時隙不是本節點的主時隙時，首先判斷本節點是否有數據要發送，如果本節點沒有數據要發送，則進入C-2步驟，如果本節點有數據要發送，則首先偵聽優先段D-1，當在優先段收到的是PCTS幀，則丟棄該PCTS幀進入下一時隙，以免與主節點衝突；當在優先段收到的是PRTS幀，則判斷該PRTS幀的目的地址是否是本節點當結果為是，則在PCTS段回復PCTS幀，在數據段接收數據後，在應答段回復應答幀；進入下一個時隙；當結果為否，則進入D-2-1步驟；D-2，當在PRTS段沒有收到發給本節點的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀， 則本節點進入CSMA/CA競爭機制D-2-1，在競爭段發送CRTS幀進行競爭，同時偵聽其他節點的CRTS幀； 當節點發送CRTS後，在CCTS段內收到發給本節點的CCTS幀回復後沒有收到主節點的 JAM幀；且在偵聽到的CRTS幀的源節點中，本節點的優先級別不是最高的；則本節點在收到 CRTS幀後，在CRTS段結束時發送CCTS幀，在數據段進入發送數據狀態，在應答段等待目的節點回復的應答幀；D-2-2，當節點發送CRTS後，在CCTS段內偵聽到主節點發送的JAM幀和回復的CCTS幀， 或者未收到任何的CCTS幀，節點將進入等待狀態，延遲一段時間再進入發送數據狀態；D-2-3，當本節點處於發送數據狀態中時，當有數據幀到來，本節點將不接收該數據幀， 當節點已發送完畢CCTS幀，則直接進入接收數據狀態，接收完成後在應答段發送應答幀； D-2-4，根據目的節點應答的應答幀的內容判斷各數據分幀接收成功與否 當接收成功，則數據發送完畢，進入下一時隙；當有發送失敗的數據分幀，則重新發送該數據，發送次數為計數器+ 1，當計數器達到了預設門限，該數據不再重發，節點進入下一個時隙。
2.根據權利要求1所述的水聲傳感器網絡長延遲情況下的MAC協議實現方法，其特徵在於當本節點在其主時隙發送完數據幀後，在等待目的節點回復的應答幀期間，如果又收到了其它節點的數據幀，則判斷該幀是否是在規定的時間 A+TAT+TDe前到達本節點當結果為是，則接收該幀並回復應答幀，然後繼續等待未到達的應答幀； 當結果為否，則不接收該幀；其中，^時刻代表應答段的起始時刻，Tat代表目的節點接收本節點的數據幀需要的傳輸時間，&為延遲時間。
全文摘要
本發明公開了一種水聲傳感器網絡長延遲情況下的MAC協議實現方法。該方法基於傳統TDMA機制，採用半雙工的通信方式，按時隙劃分時間。利用水聲通信的長傳播時延特性和信道的空間復用性，允許節點向等待應答確認幀的節點發送數據，允許其周圍節點均空閒的節點發送數據，並且允許任何在等待應答確認幀的節點接收數據，本發明實現了一個節點同時與多個節點通信的目的，提高了網絡吞吐量，同時降低了網絡端到端延遲，適用於水聲傳感器網絡及其它長傳播時延通信網絡，具有較高的實際應用價值。
文檔編號H04L1/16GK102195763SQ20111011949
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者方世良, 李啟玲, 王偉娜, 高翔 申請人:東南大學