[发明专利]一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法

说明书

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络通信领域，尤其涉及一种能够提高网络吞吐量的，异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。

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，水下无线传感器网络(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。介质访问控制(Media Access Control,MAC)协议是UWSNs研究的一个重要方面，决定水下信道的使用方式，直接影响网络能量的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能，是保证UWSNs高效通信关键基础内容之一。然而，与传统陆地无线传感器网络使用无线电信号通信不同，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、误码率高等特点，这些特点决定了在设计UWSNs的MAC协议时面临着巨大的挑战。

Md.Obaidur Rahman等人针对水下节点因空闲监听导致能量消耗问题提出了UWAN-MAC协议，该协议通过在数据传输阶段中加入睡眠模式来克服节点因空闲监听而导致的能量消耗。节点在每个周期的起始时刻广播SYNC分组，指明其休眠周期，接收到此分组的邻居节点从下一个预定时段开始侦听此节点。因此，每个节点除工作在自身预定时段传输数据外，还必须工作在每个邻居节点的数据传输时段。UWAN-MAC协议利用SYNC分组交换相对时间信息，各节点无须预知传输时延。只要传输时间为常数，只利用休眠持续期的信息就可以保证每个节点同步。但由于使用休眠唤醒机制，导致信道的时延变长，同时维护休眠时刻表和调度机制会产生开销，进而降低协议吞吐量。

针对UWSNs的数据传输率低的问题，Shaobin Cai等人提出了一种基于网络编码的MPNC-MAC协议，该协议首先建立三条不相交的路径，对于两组数据A和B从两条路径中传输出去；中间路径传输的数据C(C＝A⊕B)则是通过网络编码得到的数据。该协议通过使用网络编码可以有效地提高网络吞吐量以及数据传输率，但该协议使用在节点密集的水下应用中时，由于其每个节点均发送三个数据包，导致网络碰撞严重，数据传输率反而降低。同时所有节点作为编码节点会导致能耗变大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高网络吞吐量和数据传输率的，异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，包括以下几个步骤：

步骤一：初始化MAC协议，确定每对发送节点和接收节点的数据交换时间；

步骤二：使用编码节点选择算法确定网络编码层内的编码节点；

步骤三：网络编码层内的节点唤醒后，如果为普通节点则直接将接收到的数据包发送出去；如果为编码节点，进入步骤四；

步骤四：判断编码节点接收队列recQueue()中的数据包P_i是否为已经发送过的数据包，如果是，则丢弃该数据包，转到步骤八；如果不是，进入下一步；

步骤五：判断数据包P_i是否为元数据包，如果不是元数据则将其丢弃，转到步骤八；否则进入步骤六；

步骤六：如果编码节点的产生数据队列senQueue()不为空，则分别从接收队列recQueue()和产生数据队列senQueue()中各取一个数据包进行编码操作，得到编码数据C_n＝P_i⊕P_j；

如果编码节点的产生数据队列senQueue()为空，则从接收队列recQueue()中取连续的两个数据包进行编码操作，得到编码数据C_n＝P_i⊕P_i+1，其中P_i+1为当前编码节点前一时刻接收到的数据包；

步骤七：编码节点将编码数据发送给汇聚节点，同时将数据包P_i放入发送集合ForwardSet()中；步骤八：令i＝i+1，重复步骤四～步骤七，直到接收队列recQueue()中的数据为空。

本发明一种异步占空比和网络编码的水下传感器网络MAC协议通信方法，还可以包括：