[发明专利]水下传感器网络中基于功率控制的介质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下传感器网络通信技术领域，具体的讲是一种节点进行发送功率控制的方法及其对应的介质访问控制层节点数据传输的方法。 

背景技术

陆地的无线通信通常使用电磁波和光波作为载波来进行传输，但是在水下环境中,由于衰减迅速，以上两种传输媒介仅适用于短距离数据通信（几十米-几百米）。相比较之下，声波在水下环境中传播的衰减特性较好，是目前已知的最有效的水下长距离通信媒介。所以，水下无线传感器网络是以声波作为载波的无线通信网络。 

但是目前水声通信主要受到以下几个方面的限制：1.较低的可用带宽，目前的水声通信系统的通信能力的上限约为40(km×kbps)，远低于陆地无线通信系统；2.较大的传输时延，由于水声信号的传播速度约为1500m/s，该速度比电磁波的传播速度低2×10⁵倍。由此造成信号的传播时延可高达数秒，这也远高于电磁波信号的传输时延。以上两点极大的降低了水下传感器网络的网络吞吐量。 

当前水下传感器网络的介质访问控制方法主要从避免碰撞的角度提高网络的吞吐量。其中基于握手预约机制的RTS/CTS类协议被广泛采用。这类协议通过RTS(Request to send)和CTS(Clear to send)控制包的交换，获取节点的发送请求，并告知邻节点即将发生的数据传输从而避免数据包发送期间可能的碰撞。该类介质访问控制方法通过CTS的发送也能避免隐终端问题的出现。但是，为了解决由于水声信号低速传播造成的水下节点发送数据包的时空不确定问题，CTS控制包的长度需要根据最大发送距离调节，导致该类协议的发送效率不高，网络吞吐量低。研究表明，通过划分发送时隙，节点采用基于时隙的通信方式可以避免发送长CTS控制包的问题。 

当前水下传感器网络存在的另一问题是缺乏一种有效的功率控制方法。目前的网络中，节点普遍采用最大功率发送。由此造成了节点间相互干扰增加，导致网络吞吐量降低。 

为了提高网络吞吐量，提高空间复用能力是一个重要的途径。所谓空间复用就是网络中同时允许多对通信同时进行。要使得更多的通信能够同时进行，发送节点需要获取邻节点的发送信息并进行功率控制，避免过大的发送能量干扰邻节点的通信。同时，发送节点的功率控制还可以提高能量利用效率，有利于减小水下传感器网络的能量消耗。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高水下传感器网络的空间复用水平及提高网络吞吐量的介质访问控制方法，本发明提出的控制方法，基于时隙发送的介质访问控制方法收集并交换网络中收发节点间的信道增益信息，并通过基于博弈论的功率控制方法，协调各发送节点的发送功率，最终实现最大化空间复用的目的。 

一种水下传感器网络中基于功率控制的介质访问控制方法，首先定义了四种包类型，RTS（Request to send）,CSI(Channel state information),DATA,ACK(Acknowledgement)，其中RTS包中包含了源节点和目的节点的ID，发送能量；接收到RTS包的节点通过接收的功率计算出信道增益，并写入CSI包相应的字段中，CSI包包含了源节点和目的节点的ID以及计算出的信道增益；收到CSI包的节点获取完全的邻节点信道增益信息并构成信道增益矩阵H，以H矩阵为基础，各发送节点需要采用功率控制算法计算出最优的发送功率，并以此功率发送数据包及ACK包。步骤如下： 

1)若一个节点有数据需要发送，它将等候直至第一时隙开始时刻，此时该发送节点以最大功率发送RTS包，RTS包中包含了源节点和目的节点的ID，发送能量。该RTS被邻节点监听，接收到该RTS包的所有邻节点根据接收的功率计算出信道增益： 

h_IJ(dB)＝p_r(dB)-p_s(dB) 

这里，h_IJ是I,J节点间的信道增益，p_r是接收功率，p_s是发送功率。 

2)目的节点接收到RTS后，生成一个CSI包，并于第二时隙的开始时刻以最大功率发送。该CSI包含该节点在第一时隙所接收并计算的其他发送节点与自身节点之间的信道增益，并且该CSI可以被邻节点监听，收到该CSI包的节点记录下包中的信道增益信息。 

3)在第二时隙末，各发送节点收集完CSI包后即获取了各邻节点的发送请求及它们之间的信道增益信息，此时各发送节点间可以建立信道增益矩阵H，H的第I行，第J列的元素为hIJ