一种星型水声网络的MAC调度方法技术

本发明专利技术公开了一种星型水声网络的MAC调度方法，包括以下步骤：S1、对星形水声网络的各发送端的发送节点进行编号1,2,...,N；S2、设置发送节点1的发送时间t

A Mac scheduling method for satellite underwater acoustic network

【技术实现步骤摘要】
一种星型水声网络的MAC调度方法
本专利技术涉及水声网络的媒介接入控制(MAC)领域，特别涉及一种星型水声网络的MAC调度方法。
技术介绍
水声网络作为一种能够广泛应用于水下环境的网络技术，可用于水下环境监测，水下资源勘探与开采，灾难预防等，在过去的十年里引起了人们极大的研究兴趣。媒介接入控制(MAC)作为水声网络的关键技术，主要用于协调多节点公平高效的共享媒介数据资源，达到避免传输碰撞的目的。水声网络与地面无线电网络最重要的差异是传输媒介的不同，水声网络采用声波而非电磁波，水下声波的传播速度为1500m/s，而地面电磁波的速度远远超过声波5个数量级，为3×108m/s。研究地面无线电网络的MAC协议时，通常可以忽略传播时延，而水声信道受制于传输时延的影响，使得同时发送可能不发生冲突，不同时发送却可能发生冲突，即接收端是否碰撞取决于发送时间和传播时间的相互耦合，即时空耦合问题。现存的无线电网络MAC协议无法完全适用于水下环境，或使得网络性能极大的降低，为水声网络的MAC协议研究带来巨大的挑战。目前，已存在的水声网络MAC协议主要分为两大类：非竞争型MAC(调度型MAC)协议与竞争型MAC协议。非竞争型MAC(调度型MAC)协议采用调度方法为各发送节点分配互不干扰的时槽、频率或正交码，实现无冲突传输，包括时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)以及相应的改进。竞争型MAC协议通过竞争的方式来获得信道的使用权，主要包括ALOHA，CSMA以及握手，ALOHA各竞争节点有数据发送需要就立刻发送，没有任何避免碰撞的机制，在水下环境中维持较低的吞吐量；对于CSMA(载波侦听多路访问carriersensemultipleaccess)而言，由于传播时延(即数据帧从发送端到达接收端的传播时间)长的信道特点，接收端侦听到的信息无法准确代表信道的占用状态，必须大范围延长载波侦听的时长，才能带来网络性能的提升；握手过程同样也会占用信道大量时间，在水声环境中无法呈现较好的性能。由于以上缺点，人们将更多的兴趣转向了调度型MAC协议的研究。对于调度型MAC协议而言，如何实现高容量调度是研究者们仍需突破的难关。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用时空耦合问题，提供了一种星型水声网络的MAC调度方法，实现了更高的MAC调度容量，较大程度逼近MAC调度的最大理论容量值。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种星型水声网络的MAC调度方法，包括以下步骤：S1、对星形水声网络的各发送端的发送节点进行编号1,2,...,N；S2、设置发送节点1的发送时间t1＝0,记为已调度节点；S3、依次计算剩余各发送节点的发送时间，并记为已调度节点，直至计算完毕；S4、每个发送节点i将数据帧周期性发送至星形水声网络接收端，i∈[1，N]。优先的，步骤S1中，此编号代表各发送节点将依次被调度的顺序，按照各发送节点相对于同一接收端的距离从小到大进行排序。优先的，步骤S3中，根据步骤S1确定的调度顺序，逐个调度还未被调度的节点，使得各数据帧在接收端依次对齐，即上一个数据帧结束时间与下一个数据帧到达时间对齐，其发送时间计算方法为：其中，ti为发送节点i的发送时间，di为发送节点i与接收端之间的距离，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度。优先的，步骤S4中，各节点以N*tf为周期进行发送，即每个节点i周期性发送时间为ti＝ti+N*tf，其中N为发送端个数，也即发送节点数。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术基于时空耦合问题，提出了一种适用于星型水声网络的MAC调度方法，通过运用将数据帧在接收端依次对齐的方法，实现了更高的MAC调度容量，较大程度逼近MAC调度的最大理论容量值。2、本专利技术一种各发送端周期发送的调度方法，确保了所有节点均不存在调度帧之间的传输冲突，克服了目前已有研究工作容易忽略的一大问题。附图说明图1为本专利技术所述的一种星型水声网络的MAC调度方法的流程图。图2为本专利技术所述的星型水声网络的MAC调度方法与简单无碰撞传输调度的对比图，其中a为星型水声网络接收端对齐MAC调度模式；b为星型水声网络无碰撞传输模式。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不限于本专利技术。实施例对于调度型MAC协议而言，如何设计实现无冲突传输的调度方法是其核心问题。已存在一些研究工作以无冲突传输为目的进行设计，得到一个周期内的调度方法，但却忽略了调度周期之间的干扰。为了调度实现水声网络的最优性能。本实施例提出一种星型水声网络的MAC调度方法，能够基于时空耦合问题，实现了更高的MAC调度容量，较大程度逼近MAC调度的最大理论容量值。如图1-2所示，本实施例具体步骤如下：S1、设置星型网络包括N个发送端的集合与一个接收端。将发送节点编号为1,2,...,N，此编号代表各发送节点将依次被调度的顺序，本实施例按照各发送节点相对于同一接收端的距离从小到大排序，如图2a所示，发送节点1-4距接收端的距离依次增大，则发送节点的发送顺序也为1-4顺序，以进一步提高调度效率；S2、设置节点1的发送时间t1＝0,记为已调度节点；S3、依次计算剩余各未调度发送节点的发送时间，使得在接收端将多个节点发送过来的各数据帧依次对齐，即上一个数据帧结束时间与下一个数据帧到达时间对齐，并记为已调度节点，其发送时间计算方法为：其中，i∈[1，N]，ti为发送节点i的发送时间，di为发送节点i与接收端之间的距离，tf为一帧传输时间，v是声波在水中的传播速度，为节点i发送的数据帧到达接收端的时间，式(1)代表相邻两节点的到达时间差为tf，保证无碰撞传输的同时达到了接收端信道效率的最大化，逼近了MAC调度的最大容量值；S4、当所有发送节点调度完成，每个发送节点i以N*tf为周期发送数据帧，保证所有节点均不存在调度帧之间的传输冲突，即每个节点i周期性发送时间为ti＝ti+N*tf，其中N为发送端个数；如图2所示，对于同一星型水声网络，包括四个发送端与同一接收端，各发送端距离接收端的传播时延分别为2、2、3、3个数据帧长度，即分别为2*tf、2*tf、3*tf、3*tf，通过本专利技术所述的MAC调度方法，各发送端发送的数据帧可在接收端依次对齐接收，达到其信道效率的最大化，而简单的无碰撞传输方法(即图2b)虽然达到避免传输冲突的效果，但是接收端仍存在大量空闲时间，未完成信道的充分利用，使得全部发送节点完成一次传输的总时间延长，单位时间内成功传输的信息量减少，即降低了网络的吞吐量(即单位时间内成功传输的信息量)；另外，本专利技术所述的MAC调度方法实现了调度时长的最小化，每个发送节点均以调度时长为周期发送数据帧，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星型水声网络的MAC调度方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、对星形水声网络的各发送端的发送节点进行编号1,2,...,N；/nS2、设置发送节点1的发送时间t

【技术特征摘要】
1.一种星型水声网络的MAC调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对星形水声网络的各发送端的发送节点进行编号1,2,...,N；
S2、设置发送节点1的发送时间t1＝0,记为已调度节点；
S3、依次计算剩余各发送节点的发送时间，并记为已调度节点，直至计算完毕；
S4、每个发送节点i将数据帧周期性发送至星形水声网络接收端，i∈[1，N]。


2.根据权利要求1所述的星型水声网络的MAC调度方法，其特征在于,步骤S1中，此编号代表各发送节点将依次被调度的顺序，按照各发送节点相对于同一接收端的距离从小到大进行排序。


3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：季飞，郑淇尹，官权升，陈伟琦，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44