[发明专利]一种基于MACA‑U协议的水声网络多址接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声网络领域，具体涉及一种基于MACA-U协议的水声网络多址接入（MAC）方法。

背景技术

海洋在经济、社会和军事等方面的地位越来越重要，人们迫切需要提高海洋信息的获取和处理能力。水声网络作为一项新兴的海洋信息技术，在环境监测、灾害预警、海洋工程、水下防御等领域有广阔的应用前景，因此被越来越多的研究者所关注。声音在水下的传播速度平均为1500m/s，比电磁波在无线电信道中的传播速度3x10⁸m/s低5个数量级。相应的传播延迟为0.67s/km，而网络节点间通信距离往往达到几公里甚至十几公里，如此高的传播延迟会严重降低水声网络信息交互的效率。

数据链路层协议是水声网络研究的重要内容。在随机接入协议中，ALOHA是最简单的，当节点有数据要发送时，立即发送数据并等待ACK。由于ALOHA没有考虑信道的状态，当负载较高时，ALOHA协议的性能急剧下降。载波侦听多址接入（CSMA）协议通过侦听发送端附近的载波来避免碰撞，但却不能在接收端处避免碰撞，因此，CSMA协议存在隐藏终端和暴露终端的问题。避免碰撞的多址接入（MACA）协议通过交换RTS-CTS解决了CSMA协议存在的问题。MACAW协议是在MACA协议的基础上提出的，该协议增强了网络的可靠性，但是每次通信成功后，都要发送一个ACK分组，在传播延时高的水声网络会增加协议的开销，降低吞吐量。

MACA-U协议是在MACA协议的基础上所提出的一种改进协议，如图1所示，MACA-U协议采用RTS-CTS-DATA三次握手机制。当源节点S有数据包需要发送时，先发送RTS控制包，目的节点D接收到RTS后，立即回复CTS控制包。源节点S接收到CTS后，立即发送DATA。目的节点D接收到DATA后，结束本次握手通信。如果源节点S未接收到相应的CTS，则源节点S采用二进制指数退避算法（Binary Exponential Backoff，BEB）退避并重发。其他邻居节点A、B监听到不是给自己的数据包后，进入QUITE状态。MACA-U协议的RTS-CTS握手机制解决了隐藏终端和暴露终端问题，减少了数据包的碰撞。但是，MACA-U协议中的坚持等待规则和静默规则严格限制了邻节点数据的发送，不利于网络吞吐量的提高。同时，在RTS-CTS-DATA交换过程中节点等待时间过长，占据了通信过程中的大部分时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的水声网络通信方法网络吞吐量不高，由于水声传播延时大而使节点等待时间过长等缺陷，从而提供一种基于MACA-U协议的水声网络多址接入方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于MACA-U协议的水声网络多址接入方法，包括：

在源节点与目的节点的RTS-CTS交换过程中，若所述源节点或目的节点收到另一节点所发送的RTS，则在保证与所述源节点或目的节点已有忙时间不冲突的前提下计算出所述源节点或目的节点适合接收所述另一节点所发送的数据帧的时间；然后向所述另一节点回复CTS，所述CTS中包括所述另一节点从收到CTS到发送数据帧之前应等待的时间和除所述另一节点外的其他节点收到此CTS后应静默的时间；所述另一节点收到CTS后根据CTS等待一段时间后发送数据帧。

上述技术方案中，该方法在源节点上的实现包括以下步骤：

步骤101）、源节点S在向目的节点D发送数据前，首先发送RTS，计算源节点的忙时间T_S1，并将T_S1存入本地忙时间表中，并进入WFCTS状态；

其中，源节点S的忙时间T_S1是指从源节点S开始接收CTS的时刻t₁到源节点发送完数据帧的时刻t₂这一时间段，其计算公式如下面的公式（1）所示：

其中，t_{s_1}是源节点S准备发送RTS的时刻，T_RTS、T_CTS、T_DATA分别为RTS、CTS和数据帧的持续时间，τ_SD为源节点S到目的节点D的传播延时，[]表示区间；

步骤102）、当源节点S处于WFCTS状态时，若收到某一节点A所发送的RTS，在保证与本节点已有忙时间不冲突的前提下，计算出源节点S适合接收节点A所发送数据帧的时间，即节点A向源节点S预约节点A发送数据包的时间，进而计算出节点A从收到CTS到发送数据帧之间的延迟τ_A；其中，