[发明专利]一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议的设计

说明书

本发明涉及一种基于S‑FAMA的并发传输MAC协议的设计，主要包括下列步骤：建立系统模型：节点随机分布在某一海域，在网络初始化阶段，各个接收节点通过信息交互获知在其一跳传输范围内发送节点的传播时延；时间被分割成大小相等的时隙，时隙大小等于最大网络的最大传播时延加上数据包的传输时延，一轮通信一共分为四个阶段：RST阶段、CTS阶段、DATA阶段、ACK阶段；根据发送节点到接受节点的传播时延定义并发传输节点和并发传输节点集；发送节点首先向目标节点发送RTS包，网络中的接收节点根据接收到的RTS包的信息确定可以并发传输的节点集，并将相关信息加入到CTS包中后广播到网络中，发送节点在接收到CTS包之后，判断是否可以进行数据的传输。

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下无线网络通信的MAC协议。

背景技术

水下无线传感器网络是近年来兴起的一个研究方向，由于其在海洋资源探索、海岸防护、海洋环境监测等方面的实用性，水下无线传感器网络受到越来越多的关注。

水下无线传感器网络有着高延迟、低带宽、误码率高、多径效应严重等特点，这些特点毫无疑问的给水下传感器网络的设计带来了巨大的挑战。MAC协议是水下无线传感器网络设计中极为重要的一部分，MAC协议是一种信道接入机制，它对于网络的吞吐量和端到端延迟等方面的性能有着很大的影响。由于水下无线传感器网络的特点，水下MAC协议的设计面临着巨大的挑战。传统的MAC协议可大致分为两类：基于调度的MAC协议和基于竞争的MAC协议。FDMA、TDMA、CDMA是三种典型的基于调度的MAC协议，但是由于水声通信的带宽小、同步难、“远近”问题严重等一系列问题，导致这三种基于调度的MAC协议不适合于大规模的水声网络。基于竞争的MAC协议又可细分为基于握手的竞争性MAC协议和基于随机发送的竞争性MAC协议。在基于随机发送的MAC协议中，当节点的负载较大时，数据的碰撞概率会增加，从而导致网络的性能下降。而基于握手的MAC协议中，节点在传输数据包之前则是通过发送较短的控制包去竞争信道的使用权，这样可以避免数据包的碰撞，然而水下无线传感器网络的高延迟特点使得握手机制增加了网络的开销，而且传统的基于握手的MAC协议的握手效率低，握手成功率也不高，这更加增加了网络的额外开销。Slotted-FAMA（一下称S-FAMA）是一种比较传统的水下基于握手的竞争性MAC协议，它采用RTS/CTS/DATA/ACK的方式进行数据的传输，它将时间分为大小相等的时隙，数据只能在时隙的开始进行传输，在一个时隙中，节点根据侦听到的来自其它节点发送的包进行下一步的操作。

由于S-FAMA的传输规则不可避免的带来了一些问题：

1、S-FAMA将时间分割成大小相等的时隙，报文在时隙的开始进行传输。当网络负载较大的时候，会存在多个节点在同一个时隙的开始通过发送RTS控制包进行竞争信道的使用权，由于S-FAMA的传输规则，数据的传输可能不会有效的发生，而是向后推迟，而越往后推迟，有数据要传输的节点数就越多，多个节点在同一个时隙的开始发送RTS控制包这一现象就越严重，造成了一个恶行循环；

2、S-FAMA中的时隙的大小被设定为节点的最大传播时延加上控制报文的传输时延，并采用RTS/CTS握手机制，由于水下通信的长时延的特点，时隙的长度是一个很大的开销，而且RTS/CTS握手机制也会带来巨大的时间开销，此外，协议在一次成功握手中只允许一个节点进行数据传输，信道利用率低；

3、网络存在严重的暴露终端问题。

发明内容

针对传统的S-FAMA协议的不足之处，本文提出了一种基于S-FAMA的并发传输MAC协议，根据网络的长传播时延的特点，设计了一种并发节点选择机制，接收节点根据接收到的来自各个发送节点的RTS包的信息计算得到一个并发传输节点集，发送节点根据接收到的来自各个接收节点CTS包中的并发传输节点集的信息选择自身是否发送数据。技术方案如下：