[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

摘要

一种簇结构多载波水声传感器网络的混合型MAC协议方法，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，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以保证网络服务质量的同时降低传感器网络的通信能耗。

主权项

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；在所述空闲突发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Td的变化范围，即确定最大及最小传播时延及3)成员节点需要传输突发报文时，若剩余的IBT时隙长度小于报文传输所需时间，则将报文移至IPT时隙内进行传输，否则立即在上行控制信道上发送控制报文请求数据发送；4)若簇头节点无差错的接收到控制报文，则根据当前网络状况为此次突发报文的传输分配信道，通过下行控制信道上发送CTS信息，并在CTS信息中对该簇内节点的数据传输信道进行指派，并在该信道上等待数据；5)成员节点在完成上行控制报文发送后的时间内对下行控制信道进行侦听，若接收到正确的CTS则完成一次RTS‑CTS握手，并按照簇头节点的指派信息在特定信道上以最高速率进行数据传输；6)若簇头节点所接收的上行控制报文有错误或混叠，则简单的丢弃该报文，并不在下行控制信道上发送任何数据；7)若簇内成员节点在首次发送上行控制报文后的时刻仍未侦听到CTS，则再立即重发控制报文；8)若在簇内成员节点重发控制报文后仍未收到CTS，则进行二进制指数退避，退避间隔为上行控制报文的时长Tcon；9)若重传次数超过限制时将通知上层，并将该报文移至IPT时隙内进行传输；在所述主动轮询IPT传输模式内，传感器网络采用调度型MAC协议进行数据传输，包括以下步骤：1)信道声明：簇头节点对成员节点广播此次IPT传输的信道信息及上行数据传输阶段内成员节点申请顺序，完成信道声明后网络将进入上行数据传输阶段；2)上行数据传输阶段通信流程如下：a)信道预约：成员节点依据自身数据传输需要，在数据申请时间片内按指定顺序发出数据传输申请，数据传输申请帧内包括节点可利用信道信息及待传送周期性数据报文长度信息；b)传输时长确定：簇头节点根据成员节点的数据传输申请计算出满足所有节点传输需求的最长时间Tmax及最短时间Tmin，其中.Tmax.为所有成员节点都以最低速率进行数据传输时的时耗，Tmin为所有成员节点都以最高速率进行数据传输时的时耗，并通过网络的能耗优化率Qup及簇内可用的信道数L按下式计算数据传输时长Ttotal：Ttotal=Tmin+(Tmax-Tmin)×QupL]]>c)整体优化：簇头节点根据此次数据发送需求，并对此次传输过程的整体能耗进行优化并计算出最优信道指派方案；d)资源指派：簇头节点将在业务信道上对所有簇内节点广播此次上行轮询传输总时耗及信道传输指派方案；e)数据传输：成员节点在接收到簇头节点的传输指派方案后，按照该方案在指定信道上发送数据；3)在完成上行数据传输阶段后，若传感器网络存在下行数据传输需求，则进入下行数据传输阶段，否则IPT流程结束；4)下行数据传输流程如下所述：a)传输时长确定：由于在下行数据传输阶段内，簇头节点已知各成员节点待传输的数据量，因此下行数据传输时长Ttotal，直接根据能耗优化率Qdown及可用的信道数L按照与上行数据传输相同的策略计算得出；b)整体优化：簇头节点根据此次数据发送需求，并对此次传输过程的整体能耗进行优化并计算出最优信道指派方案；c)资源指派：簇头节点将在业务信道上对所有簇内节点广播此次下行轮询传输总时耗及信道传输指派方案；d)数据传输：成员节点在接收到簇头节点的传输指派方案后，按照该方案在指定信道上接收簇头节点发送的下行数据；5)在完成下行数据传输阶段后，传感器网络将自动进入IBT传输时隙。