[发明专利]一种基于马尔科夫链的水声传感器网络饱和吞吐量求解方法

说明书

本发明公开了一种基于马尔科夫链的水声传感器网络饱和吞吐量求解方法。该方法采用离散马尔科夫链对水声传感器网络中节点竞争信道的过程进行数学建模。首先计算发送节点在同一个时隙内发送RTS控制帧竞争信道过程中，不会在接收节点发生重叠冲突的概率，用于分析节点发送数据的平均时隙长度和发送数据成功的概率；然后通过结合非空一步状态转移概率和归一化条件，求解出了发送节点的传输概率和冲突概率；最后结合节点传输概率和冲突概率的表达式，求解水声传感器网络饱和吞吐量的数学表达式。无线网络仿真环境EXata中的仿真实验证明了该方法的有效性。

技术领域

本发明属于水声传感器网络领域，特别涉及基于马尔科夫链的水声传感器网络饱和吞吐量求解方法。

背景技术

水声传感器网络在海洋灾害预报、海洋资源开发、海洋环境监测、水下搜救、辅助导航及水下目标探测等方面有着重要应用，近年来受到了研究人员的广泛关注。信道访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于水声网络协议的底层部分，负责分配节点之间有限的通信资源，是保证网络高效通信的关键协议。因此针对水声信道的特性，设计一种能够有效提升水声网络性能的MAC协议是有必要的。

考虑到水声传感器网络利用声波传递信息，所以水声节点不能直接接入外部网络。因此水声传感器网络需要一个可以通过声波和电磁波传输信息的汇聚节点，该节点将水声节点获取的信息转发至基站或卫星。因此对于水声传感器网络末端数百米的近距离通信，即所有水声节点将信息发送到汇聚节点的场景，水声传感器网络MAC协议应当对此场景有较好的性能。

一种具体的水声传感器网络MAC协议对这种水声传感器网络末端数百米的近距离通信有着良好的性能，其具体运行步骤如下：

该MAC协议采用同步时隙机制，并假设所有节点都已完成时间同步。节点发送RTS/CTS/ACK等数据帧只在时隙的开始时刻发送，时隙的长度设置为CTS控制帧的长度加节点的最大传播时延，保证所有节点都能在一个时隙内接收到RTS/CTS/ACK等数据帧。

步骤1：待发送数据的源节点检测信道状态，如果信道空闲至少持续一个时隙的时长，源节点进入退避状态。

步骤2：将二进制指数退避法的退避窗口改为固定退避窗口，源节点采用固定窗口值退避算法进行退避，退避完成后采用RTS/CTS四次握手机制竞争信道。

步骤3：源节点会在时隙的开始时刻发送RTS控制帧，并忽略当前时隙收到的RTS控制帧。如果节点在两个时隙内完成RTS/CTS握手，源节点在握手完成后发送数据，否则源节点会随机退避几个时隙，等待信道空闲，然后重传数据。

步骤4：在接收到RTS控制帧后，目标节点记录与RTS控制帧里的源节点MAC地址对应的待发送数据大小和传输时延，并根据传输规划算法制定源节点何时发送数据的方案，然后将方案以及ACK帧的发送时刻添加到CTS控制帧，最后目的节点会发送CTS控制帧，告知源节点何时发送数据。

传输规划算法如下所示：

将目的节点在一个时隙内成功接收RTS控制帧的个数记为n，然后以编号1～n表示源节点。源节点与目的节点之间的传播时延表示为r₁≤r₂≤r₃......≤r_n，每个源节点对应的待发送数据帧大小表示为d₁、d₂、d₃......d_n，每个源节点发送数据对应的推迟时间表示为t₁、t₂、t₃......t_n，t_ACK表示为ACK帧应答的时间，δ表示为误差修正值加节点状态转换需要的时间。