[发明专利]基于运动预测的水下传感器网络介质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下传感器网络（Underwater Sensor Networks，UWSN）通信技术领域，具体来说是基于运动预测的传感器节点间实现冲突避免和高效通信的介质访问控制方法。

背景技术

水下传感器网络（UWSN）已经成为现有的一种理想的探索和观察海洋的工具，在以下方面都有很大的应用：海洋学数据收集、污染监测、水底探索、灾难避免、救助导航、军事战略观察应用、矿产资源勘探、地震监测、海底输油管道泄漏监测、水下建筑物的辅助，以及生态监测等。但是，海洋环境的特性给传感器网络的构建带来了很多困难，比如：功耗问题、长且可变的传输时延、有限的可用带宽、高误比特率等，同时，由于受到洋流及海浪的作用，整个UWSN网络始终处于运动状态，因此，现有的较完善的应用于陆地无线网络的介质访问控制方法都不适用于水下网络，必须针对UWSN的通信需求设计新的介质访问控制方法。

水下网络介质访问方法的主要目的就是为了解决数据包冲突问题，同时需要考虑能量效率、低信道接入延迟和节点间公平性。当前，适合UWSN的许多新的介质访问控制方法已经提出，总体来说可以分为两类：无竞争的方法和基于竞争的方法。无竞争的如FDMA、CDMA等方法分别受限于带宽和编码问题，未能成为水下网络介质访问控制方法的主流。基于竞争的方法分为随机多址方法和基于信道预约类方法，前者方法结构简单，实现方便，但数据包冲突概率随着节点业务量的增加呈指数增长，不适用于突发数据场景；后者基于信道预约类方法，如R-MAC，冲突避免机制复杂，网络延迟大，水下网络的动态特点引起的节点位置不确定性影响其预约的精确度，使得R-MAC在长传输时延的网络中吞吐量性能表现欠佳。

现有的水下网络介质访问控制方法都是针对静态网络提出的，没考虑到节点位置动态变化的情况，而在实际环境中，由于受到洋流及海浪的作用，整个UWSN网络始终处于运动状态。为了在动态水下传感器网络中实现节点数据包冲突避免，提高通信效率，改善网络吞吐量，必须针对水下动态环境对网络通信造成的影响提出一种合理的解决方案。

发明内容

为了改善UWSN介质访问控制方法中由于节点运动引起的数据包冲突以及通信效率低等问题，本发明提出了一种结合应用运动预测和信道预约机制，根据节点间距离的变化能自适应地调整预约时隙长度的方法，提高通信效率，改善网络吞吐量。本发明的技术方案如下：

一种基于运动预测的介质访问控制方法，使用RTS、CTS、DATA、ACK四类报文进行通信，兼顾节点运动预测和网络通信效率，适用于水下传感器网络，该方法包括以下步骤：

第一步，所有节点随机广播信号，每个节点根据接收到信号的传播时间和已知的传播速度来计算自身与邻居节点间的距离，并将得到自身与邻居节点间的距离再广播出去，从而每个节点都记录了所有节点间的相互距离值，利用距离矩阵D来表征；

第二步，通过节点当前速度和过去运动速度对节点未来的运动速度进行线性预测，然后更新距离矩阵D中的距离值，求取距离矩阵D中最大值，并计算预约时隙长度：

Tslot=max(D)v+tcts+td]]>

其中，t_cts为CTS包的发送时间，t_d为保护时间，v为水中声速；

第三步，结合第二步求得的预约时隙长度，应用分时隙预约发送机制，进行通信，所有数据包的发送都必须在时隙的起始时刻：

1）当某个节点有数据需要发送时，它将等待至第一个时隙开始时刻，发送RTS包进行预约；

2）目的节点收到RTS包，则会在下一个时隙的起始时刻发送CTS包，告知所有邻居节点，自身已经准备好接受来自发送节点的数据包，其他节点自行退避；

3）源节点接收到目的节点的CTS包，表示自身预约信道成功，并在下一时隙起始时刻发送DATA；

4）目的节点接收完数据包后，会在下一时隙起始时刻发送成功接收确认报文ACK。