一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法技术

本发明专利技术提供一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ；2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，本发明专利技术能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境；能够确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率，并尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。

【技术实现步骤摘要】
一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法
本专利技术涉及无线传感器网络
，具体地说，本专利技术涉及一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法。
技术介绍
由于水下环境和地面环境存在巨大的差异，使得现有的地面无线通信网络的MAC协议和链路调度方法无法直接应用于水下传感器网络中，需要重新设计效率高，稳定性好的MAC协议。水下传感器网络协议和方案设计所面临的挑战主要有如下几点：(1)由于声速相对较低(1500m/s)，导致水下环境的传播延迟比地面信道中的无线电波高了五个数量级(参考R.J.Urick,“PrinciplesofUnderwaterSound3rdEdition,”McGraw-Hill,1983.)。(2)水声信道具有严重的衰减特性，特别是由于时变多径和衰落所引起的信号衰减。(3)水声信道的带宽相对较低，大约只有10k/bps(参考M.MolinsandM.Stojanovic,“SlottedFAMA:aMACProtocolforUnderwaterAcousticNetworks,”inProceedingsofIEEE/MTSOCEANS,2006,pp.1–7.)。(4)水声信道网络拓扑动态变化非常剧烈。传播延迟过高会造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear-to-send)类MAC协议性能严重的降低，并且会引起时空不确定性，导致数据传输发生冲突，造成MAC协议失效，这种时空不确定性及其引发的问题可参考文献：A.Syed,W.Ye,J.Heidemann,andB.Krishnamachari,“Understandingspatio-temporaluncertaintyinmediumaccesswithalohaprotocols,”inProceedingsofthesecondworkshoponUnderwaternetworks.ACM,pp.41–48,Sept.2007.，该文献中指出节点收发包不仅与包的发送时间有关，而且与收发节点间的欧式距离有关。也就是说，时空不确定性取决于在不同位置的包的发送时间和传播延迟。这导致地面信道的MAC协议不适合水下传感器网络。例如，地面信道中经典的MACA协议就不适合水下传感器网络。原因如下：(1)、MACA协议中的RTS/CTS类协议发送一个数据包就需要四次握手(RTS——>CTS——>DATA——>ACK)，由于水下传感器网络中传播延迟很大，四次握手过程花费了大量的时间，这明显的降低了系统的性能。假设网络中存在两个节点A和B，网络的带宽是10Kbps，A和B节点的距离是1.5KM，声速为1500m/s。如果A需要向B发送1个长度为100B的数据包，A需要先向B发送一个大小为10B的RTS，耗费8ms，传播延迟为1s；B收到RTS后，向A发送大小为10B的CTS，耗费8ms，传播延迟为1s；A收到CTS后，发送100B的数据包，耗费80ms，传播延迟1s；B受到数据包后，发送10B的ACK数据包，耗费8ms，传播延迟1s；发送一个大小为100B的数据包需要耗费4104ms。可以看出：MACA在水下传感器网络中的应用，会由于较大的传播延迟，造成系统性能严重受损。(2)、对于负载比较重的水下传感器网络，RTS/CTS类协议会引发频繁退避，增加了报文传输时间，降低系统的性能。(3)、水下传感器网络MAC协议需要具有公平性，它要求每个节点都处于同等的地位，但对于RTS/CTS协议来说，其固有的暴露终端和隐藏终端问题使得某些节点总是处于不利的地位。另一方面，目前虽然还存在一些基于信道争用的分布式随机MAC协议，但它们都未对发送成功率和重发次数的关系进行研究，导致要么传输延迟过高，要么发送成功率过低。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务是提供一种能够能很好的适用于网络拓扑动态变化的环境的水下无线传感器网络媒体介质访问控制解决方案。本专利技术提供了一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ；2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，其中，所述同步网络的时隙为该网络中最大数据包的传输延迟。其中，所述水下无线传感器网络为单跳网络。其中，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数并直接将其作为所述最大度n。其中，所述水下无线传感器网络为多跳网络。其中，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数，然后将这个邻居节点个数传递至整个网络，然后每个节点根据所接收的其它节点的邻居节点个数以及其自身的邻居节点个数，得出其所处传感器网络拓扑结构中的最大度n。其中，所述水下无线传感器网络通过运行时间同步算法，使得网络中所有节点的时间基于所述时隙实现同步。其中，所述步骤2)包括下列子步骤：21)节点需要发送数据包时，在一个时隙开始时，以概率X＝1/(n+1)获取发送权，如果获取发送权成功，进入步骤22)，如果获取发送权不成功，则进入步骤23)；22)该节点进入发送状态发送所述数据包，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次；23)该节点进入接收状态，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次。相对于现有技术，本专利技术具有下列技术效果：1、本专利技术能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境。2、本专利技术能够确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率，并尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施例，其中：图1示出了本专利技术一个实施例中的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法的流程图。具体实施方式本专利技术提出了一个适用于水下传感器网络的分布式随机(DistributedRandom)MAC协议——DRMAC，该协议克服了水下传感器网络中传播延迟高这一问题，充分降低节点之间的传输延迟，同时有效缓解时空不确定性引起的数据传输冲突。本协议的运行只需要网络中邻居节点的信息，具备分布式的特点，能很好的适用于网络拓扑动态变化的环境。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种基于单跳网络的水下传感器网络的媒体访问控制方法。所谓单跳网络是指该水下传感器网络中的任意两个节点互为邻居节点。这样任一个节点的邻居节点数目均相同。本实施例的网络满足以下条件：(1)、网络中邻居节点之间的时间是基于时隙同步的；(2)、单个数据包的传输时间不大于一个时隙的时间；(3)对于每个节点，每个时隙最多只能发送一个数据包。进一步地，本实施例提出了一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法，包括下列步骤：步骤101：运行时间同步算法，使得网络中所有节点时间同步。时间同步算法可采用ftsp(TheFloodingTimeSynchronizationProtocol)或tpsn(Timing-syncProtocolforSensorNetworks)算法。本步骤中，各个节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ；2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，

【技术特征摘要】
1.一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，所述水下无线传感器网络为同步网络，所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤：1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n，以及接收所要达到的数据包收发成功率θ，其中，n是所述水下无线传感器网络中具有最多邻居的节点的邻居节点个数；2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点，当该节点需要发送数据包时，该节点在连续m个时隙以概率X＝1/(n+1)尝试发送所述数据包，2.根据权利要求1所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述同步网络的时隙为该网络中最大数据包的传输延迟。3.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述水下无线传感器网络为单跳网络。4.根据权利要求3所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数并直接将其作为所述最大度n。5.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于，所述水下无线传感器网络为多跳网络。6.根据权利要求5所述的水下无...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，李晓维，徐勇军，安竹林，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11