[发明专利]水声网络中的节能的媒质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种媒质接入控制方法，特别涉及一种水声网络中的媒质访问控制方法。

背景技术

水声网络主要用于海洋中的数据搜集、采样、环境监测、近岸探测、灾害阻止、海啸报警、导航援助、分布式战术监测和矿产勘测。由于无线电波在水下只能在极其低的频率上(30-300Hz)传播，并且容易受到散射影响。因此，水声网络的节点间通常使用声波进行无线通信。与无线电信道相比，水声信道具有数据传播速率较低、频带资源有限、误码率高等特点。同时分布在水下的传感器节点通常携带的是能量十分有限的电池。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是水声网络面临的首要挑战。水声网络的绝大部分能量消耗在传感器节点的通信模块上。所以设计一种节能的媒质访问控制方法，让网络通信更有效率，减少不必要的数据转发和接收以及碰撞，不需要通信时能尽快进入睡眠状态，是水声传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

媒质访问控制方法是水声网络研究的一个重要内容。近年来关于水声网络媒质访问控制的研究成果主要是在陆地传感器网络相关技术的基础上的改进，包括了TDMA方案、时隙化FAMA协议和带有碰撞监测的Aloha协议等。但是由于水声网络中数据包的传播时延很大，网络容量有限，导致了采用这些方法的水声网络中数据包的碰撞率很高，大量的数据包需要重传，从而大大消耗了传感器节点电池的能量。所以必须针对水下传输的特殊情况设计一种适用于水声网络的全新的媒质访问控制方法。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有技术的缺陷，设计、研究了一种水声网络中的节能的媒质访问控制方法。

本发明的技术方案是：

(1)每个节点建立并维护一个唤醒时刻表，该表包含如下的表项：数据包的发送时刻、邻居节点ID号、邻居节点数据包的到达时刻；

(2)初始化

将整个网络收发数据包的时间分成长度相等的循环周期，每个循环周期的长度为T。在初始化阶段，网络中每个节点都处于唤醒状态，并且在(0，T)中随机选择一个时刻，广播一个用于同步的SYNC包，同时将该SYNC包的发送时刻保存在节点的唤醒时刻表中的“数据包的发送时刻”表项中；在其发送范围内的邻居节点一旦接收到SYNC包，则将该SYNC包的到达时刻和其发送节点分别保存在唤醒时刻表的“邻居节点数据包的到达时刻”和“邻居节点ID号”的表项中。

(3)数据包的收发

在完成初始化以后，每个节点按照建立起来的唤醒时刻表，在一个循环周期中需要发送和接受数据包的时刻及时唤醒，而在大部分时刻处于休眠状态。数据包由SYNC头和实际发送的数据信息Data两部分组成，在SYNC头中存储该数据包的发送节点ID号以及发送时刻；数据包的发送持续时间为τ；数据包发送完毕以后，该节点并不是立刻进入睡眠状态而是进入监听模式；在监听模式下，节点仍然处于工作状态但是功率很小。如果它监听到信号，则重新进入唤醒状态接收数据包。当监听持续时间结束以后，该节点进入休眠状态。

(4)碰撞避免措施

由于数据在水声信道中的传播时延是变化的，原来不会发生碰撞的数据包有可能因为信道条件的变化而发生碰撞；设T_A代表当前循环周期中节点A数据包的发送时刻，R_A，B是节点A接收到邻居节点B的数据包的时刻；如果发生碰撞，即满足R_A，B≤T_A≤R_A，B+τ或者T_A≤R_A，B≤T_A+τ，那么节点A在原有发送时刻T_A的周围的一小段时间内重新选择一个发送时刻T_A′，使得R_A，B-(T_A′+τ)≥τ_s或者T_A′-(R_A，B+τ)≥τ_s，τ_s为数据包之间不发生碰撞的保护间隔，A通过当前发送的数据包中的SYNC头将新的发送时刻T_A′通知其邻居节点，在下一个循环周期中节点A在T_A′时刻发送数据包。

(5)新节点的加入