基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法技术

本发明专利技术提供了一种基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，涉及多信道并行传输条件下的无线传感器网络领域，对原LPR‑MAC协议在多信道并行协商过程中存在的信道冲突问题进行了分析，利用节点地理位置信息这一关键因素给出LPRLI‑MAC协议的邻居表和P‑坚持算法，解决了多对多和多对一的信道冲突问题，优化了多个发送端在多信道上的并行协商策略，降低了多个并行传输间的冲突概率，提高了数据传输率。

【技术实现步骤摘要】
基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法
本专利技术属于在多信道并行传输条件下的无线传感器网络领域，具体涉及一种基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法。
技术介绍
无线传感器网络(wirelesssensornetwoks,WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一种多跳的自组织网络系统。多信道MAC通信协议中,网络内的众多节点分散于不同的信道,减少了通信竞争,特别是并行协商的多信道MAC通信协议，克服了控制信道的瓶颈问题,极大地提高了网络的吞吐量和网络的抗干扰性。无线传感器网络MAC协议控制着有限的网络信道资源分配。一些经典的多信道MAC协议虽然在一定程度上提高了数据传输效率，但都遇到了控制信道的瓶颈问题，改进空间受限，针对这一问题，研究人员提出了若干多信道并行传输类MAC协议，如低功率并行交汇MAC协议(LPR-MAC)，其利用时间片的划分和伪随机跳频序列的信道切换，在不影响当前正在进行的数据通信的前提下，在多个信道上同时并行传输，提高了信道利用率。但随着节点数量的增加，该协议对于并行传输传输链路在信道上的冲突问题没有给出针对性的解决方案，导致其改进效果远低于理想值。当前对于多信道并行传输的解决方法有很多种，其中LPR-MAC协议采用多信道并行协商的方式，但是LPR-MAC协议存在多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，导致其对于并行协商的性能和并行传输的效率没有达到理想效果，本专利技术针对上述问题，引入“地理位置信息”这一要素，对邻居表和P-坚持算法两方面进行改进，提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议(LPRLI-MAC)。该协议在现有的邻居表中加入了节点地理位置信息，通过该信息计算出节点间距离，利用该距离值，P-坚持算法给出了新的概率计算公式，距离越近，节点坚持发送的概率越大，从而处理了多个发送端在单一信道上的冲突问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决LPR-MAC协议在多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，提出的基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的，基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，具体包括如下步骤：(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生的自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；(2)建立和更新邻居表；(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，在通过R的跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道标号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端(节点S1)与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端(节点S2)的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P-坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率P，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以P的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1-P的概率进行退避，根据一个随机函数退避一个随机的时间，然后再次发起数据传输；(7)在发送端S在完成本次数据通信之后，切换回自己的伪随机跳频序列后，本轮多信道并行协商MAC协议的时序结束。所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法的步骤(1)中的所有节点不断的通过广播的形式向其他邻居节点发送自己的邻居表信息，经过网络建立初期的一段维护和更新邻居表，每一个节点的邻居表中都包含了周围邻居节点的时间片选择、伪随机跳频序列和地理位置信息等相关信息。所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法的步骤(6)根据P-坚持算法的计算本次坚持发送数据的概率Pi，对Pi的计算方法式为：其中，Pi表示某一个发送端Si坚持发起本次数据通信的概率；Di表示发送端Si与目标节点间的距离；Ri表示发送端Si的额定发送功率半径；ε是一个修正参数；Pi的计算方法式中的Di一定是小于Ri的，否则，不可能进行数据通信。所述P-坚持算法要根据具体实施LPRLI-MAC时，时间片和信道的数量而定，其用来降低Pi的数值，否则，如果每一个发送端都以一个较大的概率坚持发送数据的话，不但数据冲突问题不能解决，对于P-坚持算法改进没有意义。所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，根据对Pi的计算方法式可知地理位置信息或节点间距离来决定概率Pi的大小。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，对原LPR-MAC协议在多信道并行协商过程中存在的信道冲突问题进行了分析，利用节点地理位置信息这一关键因素给出LPRLI-MAC协议的邻居表和P-坚持算法，解决了多对多和多对一的信道冲突问题，优化了多个发送端在多信道上的并行协商策略，降低了多个并行传输间的冲突概率，提高了数据传输率。附图说明图1为本专利技术实施例1涉及的多发送端多接收端信道冲突问题分析示意图；图2为本专利技术实施例1涉及的多发送端单接收端信道冲突问题分析示意图；图3为本专利技术实施例1的邻居表示意图；图4为本专利技术实施例1的流程框图；图5为本专利技术实施例2中3种协议在不同网络负载下的平均吞吐量的比较曲线；图6为本专利技术实施例2中3种协议在不同网络负载下的平均端到端延迟的比较曲线；图7为本专利技术实施例2中3种协议协议在不同节点规模下的平均吞吐量的比较曲线；图8为本专利技术实施例2中3种协议协议在不同节点规模下的平均端到端延迟的比较曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照例图,对本专利技术进一步详细说明。实施例1对于多信道下并行传输类MAC协议，国内外学者都在积极的研究，并根据不同的应用场合，提出了多种新型和改进型MAC协议。本专利技术以LPR-MAC协议为基础，针对其多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，给出针对性的解决方案，提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议，可以用LPRLI-MAC表示，对于多信道并行协商过程存在的问题分析。多信道MAC协议在具体的某一单信道上仍然是按照单信道MAC协议的思路进行数据通信，即在一条信道上，每一时间段内只能有一个数据链路在进行数据传输，否则就会发生通信拥塞和数据冲突。结合图1所示，首先分析多个发送端分别对多个接收端发本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生的自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；(2)建立和更新邻居表；(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，在通过R的跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道标号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端(节点S1)与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端(节点S2)的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P‑坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率P，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以P的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1‑P的概率进行退避，根据一个随机函数退避一个随机的时间，然后再次发起数据传输；(7)在发送端S在完成本次数据通信之后，切换回自己的伪随机跳频序列后，本轮多信道并行协商MAC协议的时序结束。...

【技术特征摘要】
1.基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生的自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；(2)建立和更新邻居表；(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，在通过R的跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道标号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端(节点S1)与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端(节点S2)的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P-坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率P，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以P的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1-P的概率进行退避，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王念滨，陈锡瑞，何鸣，白杨，蔡新宇，仝彤，王昆明，赵新杰，朱洪瑞，顾正浩，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23