[发明专利]一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法有效

专利信息
申请号: 201510011817.3 申请日: 2015-01-09
公开(公告)号: CN104619005B 公开(公告)日: 2017-12-08
发明(设计)人: 李超;李晓维;徐勇军;安竹林 申请(专利权)人: 中国科学院计算技术研究所
主分类号: H04W56/00 分类号: H04W56/00;H04W84/18
代理公司: 北京泛华伟业知识产权代理有限公司11280 代理人: 王勇,李科
地址: 100190 北*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 水下 无线 传感器 网络媒体 介质 访问 控制 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及无线传感器网络技术领域,具体地说,本发明涉及一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制(MAC)方法。

背景技术

由于水下环境和地面环境存在巨大的差异,使得现有的地面无线通信网络的MAC协议和链路调度方法无法直接应用于水下传感器网络中,需要重新设计效率高,稳定性好的MAC协议。水下传感器网络协议和方案设计所面临的挑战主要有如下几点:

(1)由于声速相对较低(1500m/s),导致水下环境的传播延迟比地面信道中的无线电波高了五个数量级(参考R.J.Urick,“Principles of Underwater Sound 3rd Edition,”McGraw-Hill,1983.)。

(2)水声信道具有严重的衰减特性,特别是由于时变多径和衰落所引起的信号衰减。

(3)水声信道的带宽相对较低,大约只有10k/bps(参考M.Molins and M.Stojanovic,“Slotted FAMA:a MAC Protocol for Underwater Acoustic Networks,”in Proceedings of IEEE/MTS OCEANS,2006,pp.1–7.)。

(4)水声信道网络拓扑动态变化非常剧烈。

传播延迟过高会造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear-to-send)类MAC协议性能严重的降低,并且会引起时空不确定性,导致数据传输发生冲突,造成MAC协议失效,这种时空不确定性及其引发的问题可参考文献:A.Syed,W.Ye,J.Heidemann,and B.Krishnamachari,“Understanding spatio-temporal uncertainty in medium access with aloha protocols,”in Proceedings of the second workshop on Underwater networks.ACM,pp.41–48,Sept.2007.,该文献中指出节点收发包不仅与包的发送时间有关,而且与收发节点间的欧式距离有关。也就是说,时空不确定性取决于在不同位置的包的发送时间和传播延迟。这导致地面信道的MAC协议不适合水下传感器网络。

例如,地面信道中经典的MACA协议就不适合水下传感器网络。原因如下:

(1)、MACA协议中的RTS/CTS类协议发送一个数据包就需要四次握手(RTS——>CTS——>DATA——>ACK),由于水下传感器网络中传播延迟很大,四次握手过程花费了大量的时间,这明显的降低了系统的性能。假设网络中存在两个节点A和B,网络的带宽是10Kbps,A和B节点的距离是1.5KM,声速为1500m/s。如果A需要向B发送1个长度为100B的数据包,A需要先向B发送一个大小为10B的RTS,耗费8ms,传播延迟为1s;B收到RTS后,向A发送大小为10B的CTS,耗费8ms,传播延迟为1s;A收到CTS后,发送100B的数据包,耗费80ms,传播延迟1s;B受到数据包后,发送10B的ACK数据包,耗费8ms,传播延迟1s;发送一个大小为100B的数据包需要耗费4104ms。可以看出:MACA在水下传感器网络中的应用,会由于较大的传播延迟,造成系统性能严重受损。

(2)、对于负载比较重的水下传感器网络,RTS/CTS类协议会引发频繁退避,增加了报文传输时间,降低系统的性能。

(3)、水下传感器网络MAC协议需要具有公平性,它要求每个节点都处于同等的地位,但对于RTS/CTS协议来说,其固有的暴露终端和隐藏终端问题使得某些节点总是处于不利的地位。

另一方面,目前虽然还存在一些基于信道争用的分布式随机MAC协议,但它们都未对发送成功率和重发次数的关系进行研究,导致要么传输延迟过高,要么发送成功率过低。

发明内容

因此,本发明的任务是提供一种能够能很好的适用于网络拓扑动态变化的环境的水下无线传感器网络媒体介质访问控制解决方案。

本发明提供了一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法,所述水下无线传感器网络为同步网络,所述水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法包括下列步骤:

1)获取水下无线传感器网络的拓扑结构中的最大度n,以及接收所要达到的数据包收发成功率θ;

2)对于所述水下无线传感器网络的每个节点,当该节点需要发送数据包时,该节点在连续m个时隙以概率X=1/(n+1)尝试发送所述数据包,

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