[发明专利]一种水下网络公平带宽分配MAC协议

说明书

本发明设计了一种适用于水下无线传感器网络的MAC协议，水下网络公平带宽分配MAC协议，该MAC协议设计主要包括下列步骤：建立网络模型：不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成员节点组成，将时间划分为若干个大小相等的时隙；成员节点在RTS阶段向主节点发送传输需求；主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点公平分配带宽，然后根据带宽分配结果调度节点数据包的无冲突传输。

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下网络公平带宽分配MAC协议。

背景技术

近年来，水下无线传感器网络的应用日益广泛，因此其已经成为探索和开发海洋的重要方式。水声传感器网络将多个传感器节点通过一定的方式布置在水下环境中，水下节点和陆上基站、海面sink节点形成一个整体，通过声波进行通信。由于声波在水下环境的传播速度远小于无线电在陆地的传播速度，以及水下环境的噪声、能量损失等影响，使得水声网络具有传播延迟长，可用带宽窄，误码率高，能耗高等特点。因此，水下网络MAC协议的设计的难度明显高于地面MAC协议，研究者根据水下无线传感器网络的特殊特性做了许多水下网络MAC协议的研究。根据信道占用方式，MAC协议大致分为基于非竞争的MAC协议和基于竞争的MAC协议。基于非竞争的MAC协议可以分为基于TDMA、FDMA和CDMA的MAC协议。基于竞争的MAC协议与基于非竞争的MAC协议的区别主要在于节点通过竞争来灵活地使用信道资源，又可以分为随机竞争MAC协议和基于握手的MAC协议。现有大多数水声网络MAC协议未充分考虑带宽的合理分配问题。它们一般通过节点竞争的方式或者为节点分配同样大小传输时间的方式来进行信道资源的分配。然而由于水下网络不同于陆地网络，长的传播延迟会引起空间不公平性问题，其他信道竞争的方式同样会导致少数竞争成功的节点获得大量带宽资源，而其他节点可能长期处于饥饿状态，从而引起水声信道的不公平竞争。而为节点固定分配传输时隙的MAC协议，如基于TDMA的协议，不能满足所有节点的传输需求，进而会引起传输带宽的浪费。因此，公平合理的带宽分配不是为每个节点分配相同的传输时间，而是根据节点的传输需求为不同节点分配带宽，使流量负载较大的节点获得更多的传输带宽。这种带宽分配方案致力于减少带宽资源的浪费，防止单个节点长期占用信道，从而提高MAC协议的公平性。为了解决上述水下网络MAC协议的信道共享方式存在的不公平问题以及提高吞吐量，本发明提出了水下网络公平带宽分配MAC协议，使用提出的带宽分配机制来提高公平性，并使用数据包的传输调度来提高吞吐量。为了防止主节点长时间处于接收状态，规定一个数据传输轮中主节点使用的数据时隙个数。在调度阶段，主节点首先使用带宽分配机制根据每个节点的流量负载进行可传输数据包的公平分配，以最大程度地保证信道使用的公平性。然后，主节点根据带宽分配结果调度节点的数据包传输，以获得较高的信道利用率。

发明内容

为了解决已有水下网络MAC协议传输带宽的不合理分配问题以及传统MAC协议吞吐量较低的问题，本发明提供了一种水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，当主节点收到多个节点的竞争信息后，它会为根据每个节点的传输需求和数据包的产生时间计算出每个节点可传输的数据包，然后主节点计算每个节点数据包的发送时间，实现节点的无冲突传输，提高网络的性能。技术方案如下：

水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，包括下列步骤：

1．建立系统模型：本协议使用不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成员节点组成，成员节点随机分布在主节点的最大通信范围内，成员节点向主节点请求信道资源并向其发送数据。主节点作为所有成员节点共同的接收器，在收集了水下数据后，将数据包通过无线链路传输给陆上数据中心。所有节点轮流广播小控制包，计算成员节点与主节点的传播延迟，实现时间同步。将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度为，其中为网络的最大传播延迟，为控制包的传输延迟。

RTS阶段:有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包，RTS包发送后，节点将等待接收CTS包。