[发明专利]带有并行传输机制的竞争性MAC协议的设计

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，带有并行传输机制的竞争性MAC协议，该MAC协议设计主要包括下列步骤：建立网络模型：网络由多个子网组成，每个子网中都有多个普通节点和一个或者多个sink节点SN，子网一共有三种拓扑结构，时间被分割成大小相等的时隙；三种拓扑结构下的普通节点向不同的sink节点发送相关信息；不同拓扑结构下的sink节点根据接收到的相关信息进行相应的调度。

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种竞争性的MAC协议。

背景技术

近年来，随着水下无线传感器网络应用的领域越来越多，关于它的研究也原来越受到研究人员的重视。作为无线传感器网络的一个分支，从诞生之初起它就有许多与传统无线传感器网络相似的地方，但是与传统无线传感器网络不同，水下无线传感器网络的应用场景在水下，这导致水下无线传感器网络的设计面临着巨大的困难。MAC协议设计是网络协议设计中特别重要的一部分，它允许多个节点在同一个信道传输数据而不发生碰撞，在网络的吞吐量、端到端延迟、丢包率等方面有着重要的影响。传统的MAC协议可以大致分为两类：竞争性MAC协议和无竞争性MAC协议。无竞争性MAC协议主要有三种：FDMA、CDMA和TDMA。竞争性MAC协议还可以继续分成两种：基于握手的MAC协议和随机性MAC协议。在传统的竞争性MAC协议中，多个节点通过握手机制竞争信道，一次成功的握手只允许一个节点发送数据，这导致信道不能够完全的被利用，且由于水下无线传感器网络的长时延特性，握手机制需要更大的代价。虽然长时延特性严重降低了水下无线传感器网络的性能，但是它同时也带来了一种机遇，节点可以利用水下的长时延特性达到并行传输的目的，这样可以大大提高网络的吞吐量和信道的利用率。针对这一问题，本发明提出了一种带有并行传输机制的竞争性MAC协议，在本发明中，各个有数据要发送的节点在信道保留阶段通过握手机制竞争信道，与传统的MAC机制不同，当接收节点收到多个节点的竞争信息后，它会为各个发送节点计算出一个发送顺序表，各个节点根据发送顺序表进行数据的传输，本发明提出的协议可以实现多个节点的并行传输，并且消除了数据的碰撞。

发明内容

为了解决水下场景中一次握手只允许一对节点传输数据的低发送效率问题以及长传播时延带来的较大的端到端延迟问题，本发明提供了一种带有并行传输机制的竞争性MAC协议的设计，当接收节点收到多个节点的竞争信息后，它会为各个发送节点计算出一个发送顺序表，各个节点根据发送顺序表进行数据的传输，实现节点的并发传输，提高网络的性能。技术方案如下：

带有并行传输机制的竞争性MAC协议的设计，包括下列步骤：

（1）建立系统模型：在同一深度的水深中水，网络由多个子网组成，每个子网中都有多个普通节点和一个或者多个sink节点SN，子网一共有三种拓扑结构，各个子网的时间均被分割成大小相等的时隙T_ts，时隙的长度为最大传播时延加上控制包的传输时延，所有的控制包必须在时隙的开始才允许发送。提出的协议一共涉及四类报文，数据包和三种控制包 RTS、CTS、ACK为三种控制包，控制包的传播时延为T_C，数据包DATA的传输时延为T_DATA。在网络初始化的阶段，全网进行时针同步，sink节点获得所有在自己传输范围内的发送节点的位置信息；

（2）在sink节点A的传输范围与其它sink节点的传输范围重合的区域里不存在普通节点的拓扑下，节点A根据成功接收的RTS控制包的信息以及与发送节点的传播时延信息，计算出各个发送节点发送数据包的时刻，其中发送节点被按照发送节点到接收节点A的传播时延从大到小定义为N₁，…，N_n，相应的传播时延为T₁，…，T_n，相应每个发送节点需要发送数据包的个数为l₁，…，l_n；