一种水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法
【技术领域】
[0001] 本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】
[0002] 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：
[0003] (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,"PrinciplesofUnderwaterSound3rd Edition, "McGraw-Hill, 1983.)。
[0004] (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。
[0005] (3)水声信道的带宽相对较低，大约只有10k/bps(参考M.Molinsand M.Stojanovic,"SlottedFAMA:aMACProtocolforUnderwaterAcousticNetworks,，'in ProceedingsofIEEE/MTSOCEANS, 2006,pp. 1 - 7.)〇
[0006] (4)水声信道网络拓扑动态变化非常剧烈。
[0007]传播延迟过高会造成RTS(ready-to-send)/CTS(clear_t〇-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,"Understandingspatio-temporaluncertaintyinmediumaccess withalohaprotocols,，'inProceedingsofthesecondworkshoponUnderwater 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。
[0008] 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：
[0009] (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ls;B收到RTS 后，向A发送大小为10B的CTS，耗费8ms，传播延迟为Is;A收到CTS后，发送100B的数据 包，耗费80ms，传播延迟Is;B受到数据包后，发送10B的ACK数据包，耗费8ms，传播延迟 Is;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。
[0010] (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。
[0011] (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。
[0012] 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】
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 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0 ;
[0016] 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=lAn+l)尝试发送所述数据包，
【主权项】
1. 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9 ; 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=lAn+l)尝试发送所述数据包
2. 根据权利要求1所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于， 所述同步网络的时隙为该网络中最大数据包的传输延迟。
3.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于， 所述水下无线传感器网络为单跳网络。
4.根据权利要求3所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于， 所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数并直接将其作为所述最大度n。
5.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于， 所述水下无线传感器网络为多跳网络。
6.根据权利要求5所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在于， 所述步骤1)中，每个节点获得自己的邻居个数，然后将这个邻居节点个数传递至整个网 络，然后每个节点根据所接收的其它节点的邻居节点个数以及其自身的邻居节点个数，得 出其所处传感器网络拓扑结构中的最大度n。
7.根据权利要求1?6所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在 于，所述水下无线传感器网络通过运行时间同步算法，使得网络中所有节点的时间基于所 述时隙实现同步。
8. 根据权利要求1?6所述的水下无线传感器网络媒体介质访问控制方法，其特征在 于，所述步骤2)包括下列子步骤： 21) 节点需要发送数据包时，在一个时隙开始时，以概率X=lAn+l)获取发送权，如果 获取发送权成功，进入步骤22)，如果获取发送权不成功，则进入步骤23); 22) 该节点进入发送状态发送所述数据包，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直 到对于当前的需要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次； 23)该节点进入接收状态，并在下一时隙开始时重复执行步骤21)，直到对于当前的需 要发送的所述数据包，步骤21)已执行m次。
【专利摘要】本发明提供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，本发明能够很好的适应网络拓扑动态变化的环境；能够确保水下无线传感器网络具有一定的成功发送概率，并尽可能地减少其数据传输延迟以及开销。
【IPC分类】H04W56-00, H04W84-18
【公开号】CN104619005
【申请号】CN201510011817
【发明人】李超, 李晓维, 徐勇军, 安竹林
【申请人】中国科学院计算技术研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月9日