[发明专利]一种簇结构多载波水声传感器网络的混合型MAC协议方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声传感器网络数据链路层的介质访问控制(Media Access Control，MAC)协议，尤其涉及一种簇结构多载波水声传感器网络的混合型MAC协议方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术

水声传感器网络的MAC层协议需要在保证网络QoS(Quality of Service，服务质量)的前提下充分利用物理层信道的特性并综合考虑上层应用的需求以尽可能的降低网络的通信能耗，因此水声传感器网络MAC协议设计是面向数据的，在设计时不能完全参照水声通信网络协议架构的层次划分，需要运用跨层思想协调MAC协议与其他层次间的关系。

水声传感器网络的两类MAC协议各有优劣：调度型MAC协议可以提前为簇内各成员节点指派通信资源，因此可以按照各节点的实际传输需求进行集中式的资源分配与调度，减少了信道竞争的能耗并提高了信道利用率，但其数据传输延迟通常较大，且一般不能灵活的依据节点实际传输需求进行资源分配；竞争型MAC协议的信道资源完全按照节点的实际传输需求进行分配，在网络负载较低时可以很好的控制数据传输延迟，但其在各节点进行信道竞争时有一定的能量损耗，当网络负载较高时其数据传输延迟及竞争能量损耗将会显著增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，将现有调度型MAC协议和竞争型MAC协议融合为混合型水声通信网络MAC协议，并根据实际网络需求按照一定策略对MAC协议进行动态切换以综合两类MAC协议的优势。由于混合型MAC协议是以网络需求为依据在同一网络内进行协议切换的，其MAC协议族的设计都是基于同样的网络架构，但各类MAC协议的适用条件及设计目的并不相同。考虑到网络状况的变化速率及实际通信代价，实际中只能依靠全局的同步时间实现网络内所有节点的MAC协议动态切换。因此，需要从实际数据通信需求出发，基于水声传感器网络模型设计多种高效MAC协议，并按照一定的策略进行组合，以满足复杂多变的水声传感器网络通信需求。

本方法假设在使用多载波技术进行通信的簇结构水声传感器网络内存在多条多载波水声逻辑信道，各节点可以无差异的使用网络中的所有信道，网络中各节点时钟同步且簇内成员节点能够对信道传播延时进行粗略估计。

本发明的技术方案如下：一种簇结构多载波水声传感器网络的混合型MAC协议方法，其特征在于：将调度型MAC协议和竞争型MAC协议融合为混合型水声通信网络MAC协议，依靠全局的同步时间实现网络内所有节点的MAC协议动态切换；通过跨层设计思想将具有不同属性的数据分类后进行传输，以保证网络服务质量的同时降低传感器网络的通信能耗；

将传感器网络内传输的数据分为周期性报文及突发性报文两类，周期性报文用以传输周期性监测数据及网络状态的控制信息，包括剩余能量信息、定位计算结果、传感器监测数据；突发性报文用以传输网络中的突发数据，包括已发生的监测事件信息、能耗警戒数据、节点故障信息；采用空闲突发IBT及主动轮询IPT两种传输模式，在两种不同传输模式内进行传输的数据报文分别为周期性报文及突发性报文，IBT时隙与IPT时隙交替进行，且空闲突发IBT时隙长度动态可调，以满足传感器网络内部各种报文传输的需要；

采用空闲突发IBT传输模式时，簇内成员节点根据其实际通信需求，以随机竞争的方式向簇头节点发送报文，且在实际数据传输前，需要与簇头节点完成一次RTS-CTS握手过程，以确保报文的即时、完整传输；

采用主动轮询IPT传输模式时，该模式时隙中依次进行信道声明、上行数据传输及下行数据传输，簇头节点根据当前网络的传输需求进行能耗优化，均匀的降低网络节点的数据传输能耗；

包括以下步骤：

1)完成簇结构水声传感器网络中各节点的时钟同步；

2)由簇头节点决定网络初始的数据传输模式，若为IBT模式则同时给出该模式的持续时长；若为IPT模式则传感器网络将直接进入IPT时隙传输流程；

3)在IBT时隙完毕或IPT数据传输完毕后，传感器网络将自动切换数据传输模式，在进入IBT时隙时簇头节点将根据当前网络服务质量再次声明IBT时隙时长。

在上述空闲突发IBT传输模式内，传感器网络采用竞争型MAC协议进行数据传输，包括以下步骤：

1)簇头节点对所有成员声明此次IBT时隙的控制信道信息及持续时长，并在IBT时隙内对控制信道进行载波侦听；

2)各成员节点根据自身与簇头节点的通信状况预估传输延迟T_d的变化范围，即确定最大及最小传播时延及