动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法技术

本发明专利技术提供的是一种动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法。是在水下传感器网络中按以下步骤实现：1)节点空闲时通过睡眠唤醒机制监听控制信道维护邻居信息、信道占用信息以及网络负载指数。2)发送节点发起数据发送请求后，接收节点根据数据包长和网络负载情况动态选择信道协商策略。本发明专利技术是一种分布式水下多信道MAC协议通信方法，通过动态选择信道协商策略来进行数据传输。实验证明该方法具有较高的网络性能并且在分布式环境下具有更高的适应性。

【技术实现步骤摘要】
动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法
本专利技术涉及一种水下传感器网络(UnderwaterSensorNetworks，UWSNs)多信道介质访问控制(MediumAccessControl,MAC)协议通信方法，具体说是一种动态信道协商的水下传感器网络多信道MAC协议通信方法。
技术介绍
UWSNs在海洋资源勘测、环境污染监测、水下辅助导航和监视等方面有非常广泛的应用前景。MAC协议作为UWSNs中的关键问题，近年来受到了很高的重视。随着水声通信技术的发展，UWSNs实现了多信道通信技术。为了更好的利用水下带宽资源，将总信道资源划分为若干个子信道，通过多个子信道同时传输数据来提高网络整体性能。由于UWSNs多信道网络环境中存在多信道收发设备昂贵以及三重隐终端问题，所以针对多信道水下传感器网络设计MAC协议具有重大的意义。针对UWSNs传输时延较长带来的三重隐藏终端问题，Jun-HongCui等人提出了基于合作的水下多信道MAC协议通信方法(CooperativeUnderwaterMultichannelMAC，CUMAC)。CUMAC在接收节点收到发送请求之后，询问邻居节点选择的信道是否会发生碰撞，通过与邻居节点的合作机制来减少碰撞发生的概率；但是该方法的局限性在于，不仅需要一个额外的设备来发送合作信息，并且为了降低碰撞率该协议会一直询问邻居节点，直到所有邻居节点都认为选择的信道不会产生碰撞，从而导致产生过多的通信消耗。KaarthikeyanS等人提出了动态占空比的多跳冗杂多信道MAC协议通信方法(DynamicDuty-cycledMultiple-RendezvousMultiChannelMAC，DMM-MAC)。DMM-MAC通过动态占空比的循环仲裁系统来减少在多跳高负载和突发流量情况下碰撞发生的概率。但是该方法仅适用于多跳高负载中突发流量的应用场景，当网络负载较低时通信效率很低，网络性能也随之下降。YishanSu等人提出了节能的多信道MAC协议通信方法(UnderwaterMulti-channelMACProtocol，UMMAC)。UMMAC通过信道分配和能量控制算法(ChannelAllocationAndPowerControlAlgorithm，CAPC)进行信道协商。该方法能够有效的减少网络的整体能耗，并且有较低的碰撞率，但是该方法的局限性在于所有的节点必须都在彼此的一跳通信范围内即仅考虑了一个冲突域，无法适用于多跳的网络环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能提高了网络性能，在分布式环境下具有较强的适应性的动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道，节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点；(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包即RTS，如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)，如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包即WCTS，则开启定时器，如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输；(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略；(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用列表以及邻居信息表；当监听到WCTS时，根据WCTS中的修正节点列表判断是否有权限进行信道修正；如果具有修正权限，则根据本地可用信道列表判断WCTS中询问的信道是否会产生碰撞，如果会产生碰撞则在本地可用信道列表中选择最低的数据信道，并在WCTS中指定的时间发送XCTS；如果不具有修正权限或者不会产生碰撞，则空闲节点保持沉默；(5)接收节点发送CTS之后，切换至数据信道等待接收数据，发送节点收到CTS或者收到WCTS并超时之后，切换至数据信道进行数据发送，接收节点正确接收完数据，向发送节点发送确认包即ACK，整个通信过程完成，超时后发送节点如果没有收到ACK，将重新发起RTS进行重传。所述不同的信道协商策略包括：当数据包长P小于包长阈值Pf并且网络负载指数L小于Lf时，直接回复CTS通知发送节点选定的数据信道；否则，采用基于合作修正的信道协商过程，发送WCTS询问邻居节点选择的信道是否会产生碰撞，在邻居节点中回复的修正清除发送包即XCTS中选择出现频率最高的信道作为最终的数据信道，回复CTS通知发送节点。本专利技术的提出了一种动态信道协商策略的水下传感器网络多信道MAC协议通信方法，该方法根据发送的数据包长度和接收节点一跳范围内的网络负载情况采用不同的信道协商策略，在数据包长较小并且网络负载较低时采用简单的信道协商过程；否则，采用消除发送包(ClearToSend，CTS)修正的信道协商过程，在分布式环境下具有更强的适应性。本专利技术的有益效果是：通过结合数据包长以及网络负载动态的采用不同的信道协商策略，使得在短数据包和低网络负载时采用简单直接的信道协商过程，使传输更高效；否则采用基于合作修正的信道协商策略，降低了碰撞发生的概率，提高了网络性能，在分布式环境下具有较强的适应性。附图说明图1是本专利技术的工作时序图。图2是控制帧格式图。图3是最小间距示意图。具体实施方式结合图1，本专利技术的具体过程如下：(1)本专利技术将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道。节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息。为了便于描述，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点。(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包(RequestToSend，RTS)。如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)。如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包(WaittingClearToSend，WCTS)，则开启定时器。如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输。(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略。当数据包长P小于包长阈值Pf并且网络负载指数L小于Lf时，直接回复CTS通知发送节点选定的数据信道；否则，采用基于合作修正的信道协商过程，发送WCTS询问邻居节点选择的信道是否会产生碰撞，在邻居节点中回复的修正清除发送包(XClearToSend，XCTS)中选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法，其特征是：(1)将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道，节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点；(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包即RTS，如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)，如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包即WCTS，则开启定时器，如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输；(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略；(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用列表以及邻居信息表；当监听到WCTS时，根据WCTS中的修正节点列表判断是否有权限进行信道修正；如果具有修正权限，则根据本地可用信道列表判断WCTS中询问的信道是否会产生碰撞，如果会产生碰撞则在本地可用信道列表中选择最低的数据信道，并在WCTS中指定的时间发送XCTS；如果不具有修正权限或者不会产生碰撞，则空闲节点保持沉默；(5)接收节点发送CTS之后，切换至数据信道等待接收数据，发送节点收到CTS或者收到WCTS并超时之后，切换至数据信道进行数据发送，接收节点正确接收完数据，向发送节点发送确认包即ACK，整个通信过程完成，超时后发送节点如果没有收到ACK，将重新发起RTS进行重传。...

【技术特征摘要】
1.一种动态信道协商的水下传感器网络多信道介质访问控制通信方法，其特征是：(1)将整个通信链路划分成一个控制信道和若干个数据信道，节点在无数据收发任务时，采用睡眠唤醒机制监听控制信道，记录自己一跳范围内的网络负载情况、可用信道列表以及邻居节点信息，将有数据发送的节点定义为发送节点，将有数据接收的节点定义为接收节点，将无数据发送接收的节点定义为空闲节点；(2)当发送节点有数据要发送时，在控制信道空闲时发送请求包即RTS，如果目标节点收到该RTS，则执行步骤(3)，如果发送节点收到CTS，则直接切换到CTS中协商好的数据信道进行数据传输；如果发送节点收到等待消除发送包即WCTS，则开启定时器，如果发送节点在定时器超时之前收到CTS，则同样切换到CTS中包含数据信道进行数据传输；否则在定时器超时之后切换到WCTS中协商的数据信道进行数据传输；(3)当节点收到来自发送节点的RTS时，从可用信道列表中选择一个数据信道，根据RTS中包含的发送数据包长度P和网络负载指数L动态的采用不同的信道协商策略；(4)空闲节点通过睡眠唤醒机制监听控制信道，当监听到RTS和CTS时，更新本地网络负载指数L、信道占用...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晓宁，王卓，曲文杰，张素苹，曲立平，蔡绍滨，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23