[发明专利]基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法

说明书

技术领域

本发明属于水下传感器网络数据传输技术，具体是针对水下传感器网络水声长传播延时特性导致的时空不确定性，提出了响应最先请求水下传感器网络MAC协议（RFR-MAC）以实现时空公平性。

背景技术

随着计算机技术、微电子技术以及通信技术的发展,水下传感器网络（Underwater Wireless Sensor Networks，UWSNs）的相关技术也迅速发展起来,并且广泛地应用于海洋数据采集、污染检测、海上探测、灾难预警、援助导航和战略监测等方面。为保障水下数据的高效传输，MAC（Media Access Control）协议设计是水下传感器网络研究的一个重要方面，其对水下网络流量和数据传输效率有直接影响，是保证水下无线传感网络高效通信关键基础内容之一。然而，与传统地面无线传感器网络使用无线电信号不同，UWSNs主要采用声学信道通信方式，具有传播时延大、通信带宽低、误码率高等显著特点。

针对水声无线传感网络，Nitthita Chirdchoo等人提出了改进的Aloha协议，该协议将Aloha与载波监听策略相结合，节点利用短的预约帧竞争信道，并在预约帧中添加节点即将要发送数据的相关信息，其它节点通过侦听信道获得邻居节点的发送信息，并以此计算出自己所用信道的繁忙时间，从而在这段时间内转入休眠状态；该协议虽然减少了能量的消耗，有着较高的网络流量，但是其对于距离相对较远的节点缺乏公平性，存在远距离的发送节点先发送的信道请求，但是后到达接受节点，导致信道竞争失败，预约信道缺乏一定的公平性。

R-MAC协议通过三阶段数据交换机制分配信道资源，提高了在水下传感器网络介质访问的公平性。节点在预约时隙内进行数据传输。协议首先确定节点间的传播延时，再交换节点间的监听/睡眠时间调度表，最后预约信道进行数据通信。R-MAC虽然考虑了预约信道的公平性，但是其采用的监听/睡眠机制，导致网络的吞吐量较低，不适用于密集型的网络。A.Syed等人指出水声信道的高时延特性带来了信道竞争协议的不公平问题，并提出T-Lohi MAC协议来解决此问题。但T-Lohi协议没有考虑隐藏终端问题，使得协议的吞吐量比较低。

W.Liao等人针对节点对空间公平性问题提出了SF-MAC协议，采用RTS/CTS（reuest to send/Clear To Send)握手机制避免隐藏终端的问题，利用RTS竞争周期接受所有RTS请求帧，并使用概率准则来判断可能最先发送RTS帧的节点，保证空间的公平性。SF-MAC协议采用的是固定RTS竞争周期，握手时长较长，严重影响了网络的吞吐量。

发明内容

为了解决上述背景技术中水下传感器网络普遍存在的传播时延大、通信带宽低、误码率高等缺点；改进的Aloha协议中存在的预约信道缺乏公平性问题；R-MAC协议导致的网络吞吐量较低，不适用于密集型的网络问题；SF-MAC协议握手时长较长，严重影响了网络的吞吐量等问题，本发明提出了一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，该协议采用RTS竞争机制，使得节点能够在时间上公平地竞争信道；直接使用RTS竞争机制，以响应最先请求的方式分配信道，有效提高吞吐量；添加BCTS（BeforehandCTS,BCTS）帧，有效避免了隐藏终端，提高了吞吐量；采用动态调整RTS竞争阶段的时长的方法，提高网络吞吐量。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于时空公平的水下传感器网络MAC协议实现方法，其中：

基于接收端的通信过程包括如下步骤：

（1）空闲侦听：接收节点不断监听信道；

（2）RTS竞争：当接收节点捕获到RTS帧时，进入RTS竞争阶段，启动RTS计时器，其时长为当前时刻到RTS竞争阶段的结束时刻；在RTS竞争阶段内，接收节点每收到一个RTS帧，根据其发送时刻确定当前最先发送请求的发送节点，如有更早发送的RTS帧则更新当前最先发送RTS帧的节点、RTS竞争阶段的结束时刻以及RTS计时器的时长；

（3）CTS延迟：当RTS计时器超时时，接收节点进入CTS延迟阶段，启动CTS计时器，其时长初始值为最大传播时长R/V(最大通信半径R/水声传播速度V)；

（4）数据传输：当CTS计时器超时时，接收节点发送CTS帧，接收节点进入数据传输阶段，并启动接收计时器，其时长为两倍的最大传播时长2*R/V，如果在接收计时器的时间内，接收节点接收到数据包，则取消接收计时器，接收节点进入空闲侦听状态；当接收计时器超时时，接收节点进入空闲侦听状态；