[发明专利]一种应用于水声传感器网络Aloha协议方法

权利要求书

1.一种应用于水声传感器网络Aloha协议方法，其特征在于：本方法采用半双工的通信方式，网络初始化后节点进入通信过程，首先在发送数据前进行信道侦听，在信道空闲状态下进行信息发射，在确认信息到达前，利用水声信道的长传播时延监测其他节点的信息，在数据冲突状态下的退避过程中利用退避间隙进行信道侦听，实现一个节点同时与多个节点无冲突地通信；即网络节点B在有数据发送的时候首先侦听信道是否正在被占用，如果信道忙节点就不进行数据发送，一直处于侦听状态，直到信道空闲，当信道空闲后网络节点将数据进行发送，发送后在等待接收方节点C确认期间，如果接收到其他网络节点A的数据，则首先计算与该节点A能成功通信的概率，如果概率不小于百分之五十，则对该网络节点A的数据进行确认回复，否则不进行回复；如果网络节点B在发送数据后没有收到节点C的回复，则网络节点B进入退避状态，如果在退避状态中接收到其他网络节点D的数据话，则首先计算与该节点D能成功通信的概率，如果概率不小于百分之五十，则对该网络节点D的数据进行确认回复，否则不进行回复。

2.根据权利要求1所述的应用于水声传感器网络Aloha协议方法，其特征在于：所说节点之间成功通信的概率计算方法如下：

1)节点在发送数据后等待确认回复帧的过程中能够接收其他节点数据帧的概率

设节点A和节点B，节点B和节点C之间的距离设为R，单位为m；载体传播速度C，单位为m/s；网络的数据率为D，单位为bit/s；数据帧DATA长设为L_D，确认帧ACK长设为L_A，帧长的单位为bit。

设t时刻节点B给节点C发送DATA帧，则DATA帧的传输时间T_DTT和传播时间T_PT分别为：

TDTT=LDD---(1)]]>

TPT=RC---(2)]]>

节点B在t+T_DTT时刻发送完DATA帧，进入等待节点C的ACK回复帧的状态。节点C于t+T_DTT+T_PT时刻收到节点B的DATA帧，并向节点B回复ACK帧，ACK帧的传播时间也是T_PT，传输时间T_ATT为：

TATT=LAD---(3)]]>

节点B接收到节点C的ACK帧的时间为t+T_DTT+T_PT+T_PT+T_ATT，但是其开始接收ACK帧的时刻为t+T_DTT+2T_PT，因此节点B有(t+T_DTT+2T_PT)-(t+T_DTT)＝2T_PT时间处于空闲地等待ACK帧的状态，如果在这段空闲时间里节点B又收到节点A的DATA帧，且时间充裕，节点B就接收节点A的DATA帧并回复节点A的ACK帧，而这不会和节点C回复的ACK帧冲突，下面分析时间充裕的概率：

首先，节点B接收节点A的DATA帧并回复ACK帧的时间和在不考虑帧间间隔时间条件下，为：

TRT=LDD+LAD---(4)]]>

其次，由上述分析可知为了使节点B有充裕时间处理节点A发送的DATA帧，需要满足条件：2T_PT≥T_RT，即：

2RC≥LD+LAD---(5)]]>

即两倍传播延迟大于DATA帧和ACK帧传输延迟之和；

设节点发送数据帧的时间服从均匀分布，节点A发送的DATA帧落在节点B等待节点C的ACK回复帧的时间区间内的情况下，节点B有充裕时间接收节点A的DATA帧并回复的概率为：

p=2TPT-TRT2TPT=2R·D-C·(LD+LA)2R·D---(6)]]>

2)节点在通信冲突进入退避等待过程中能够接收其他节点数据帧的概率

假设t时刻节点B给节点C发送DATA帧失败，进入退避等待过程，节点的退避时间片为T_slot，退避竞争窗口的最大值和最小值分别MaxW和MinW；

节点B有(MaxW～MinW)*T_slot的时间处于空闲等待状态。如果在这段空闲时间里节点B又收到节点D的DATA帧，且时间充裕，节点B就接收节点D的DATA帧并回复ACK帧，而这不会和节点B下一次发送DATA帧冲突，下面分析时间充裕的概率；

首先，节点B接收节点D的DATA帧并回复ACK帧的时间为：

TRT=LDD+LAD---(7)]]>

其次，节点B在进入退避等待过程后的空闲等待时间为

(MaxW～MinW)*T_slot    (8)

为了使节点B有充裕时间处理节点D发送的DATA帧，需要满足条件：MinW*T_slot≥T_RT，即：

MinW*Tslot≥LD+LAD---(9)]]>

假设节点发送数据帧的时间服从均匀分布，节点D发送的DATA帧落在节点B退避等待的时间区间内的情况下，节点B有充裕时间接收节点D的DATA帧并回复的概率为：

p=MinW*Tslot-TRTMinW*Tslot---(10)]]>

=MinW*Tslot-(LD+LA)/DMinW*Tslot]]>

3.根据权利要求1或2所述的应用于水声传感器网络Aloha协议方法，其特征在于：按以下步骤：

1)网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；

2)网络节点进入通信接收状态，监听、接收信息并回复确认；

3)当网络节点有数据帧需要发送时，先侦听信道忙闲与否，如果信道忙，一直侦听，直至信道空闲后，才发送数据帧；

4)网络节点B发送完数据帧后，在一个往返时间内等待目的节点C的响应，在这段时间内，如果又收到了节点A的数据帧，则在拓扑结构信息表中查找节点A的位置信息，计算出节点A与B之间的距离R，然后采用公式(6)计算接收网络节点A的DATA帧并回复的概率p1：

p1=2TPT-TRT2TPT=2R·D-C·(LD+LA)2R·D]]>

如果p1不小于50％，则给发送该数据的网络节点A回复应答帧；否则对该数据不予处理；

5)如果在一个往返时间内收到目的节点的应答帧，说明此次数据帧发送成功，进入到接收状态执行步骤2)；

6)如果超过往返时间仍没收到目的节点的应答帧则该数据帧发送失败，对发送次数计数器进行累加，如果计数器达到了预设门限值3～5，该数据不再重发，节点进入接收状态执行步骤2)；

7)如果计数器没达到预设门限节点进入退避状态进行等待，在这段时间内，如果又收到了其它网络节点如D的数据帧，则根据当前退避窗口最小值MinW，按照公式(10)计算接收节点D的DATA帧并回复的概率p2：

p2=MinW*Tslot-(LD+LA)/DMinW*Tslot]]>

如果p2不小于50％则进行处理，给发送该数据的节点D回复应答帧；否则对该数据不予处理，当退避时间结束后对上次失败的数据进行重新发送执行步骤2)。