一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法技术

本发明专利技术公开了一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法。现有方法对移动汇聚节点收集固定传感节点的场景具有不适用性。本发明专利技术采用基于调度方式的MAC协议，首先由移动汇聚节点广播控制包，通知并邀请数据收集范围内的固定传感节点向其传输数据；固定传感节点在收到该控制包后，若有数据需要传输，则发送控制包请求接入信道以传输数据；移动汇聚节点通过估算传播时延，调度固定传感节点依次发送数据包。本发明专利技术方法较好地解决了可能由多个固定传感节点传输数据而引起的冲突，提高了网络吞吐量。本发明专利技术方法适用于移动汇聚节点收集固定传感节点数据的场景，提高了信道利用率，保证了数据传输的公平性。

A media access control method of data collection mobile underwater acoustic sensor network

【技术实现步骤摘要】
一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法
本专利技术属于通信
，具体是通信技术中媒体接入控制(MediaAccessControl,MAC)协议领域，涉及一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法。
技术介绍
近年来，我国对海洋的探测与开发应用进行了大量研究，包括环境监测、海洋环境数据收集和灾难预防等，而这些实现需要水声传感网络的配合。由于采用声波进行数据通信，水声传感网络具有信道传播时延长且可变、带宽受限、丢包率高等特性，因此设计与开发MAC协议是数据收集型水声传感网络的一个重要挑战。水声传感网络MAC协议根据信道占用方式，通常可以分为竞争方式、非竞争方式和混合方式。非竞争方式MAC协议主要包括时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)、码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)和频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)。非竞争MAC协议不需要长时间的信道竞争周期，因此吞吐量较高且在协议流程设计上比较简单。然而，由于水声传感网络的特性，使得TDMA很难达到精确的时间同步，CDMA具有远近效应且需要较高的硬件复杂度，FDMA中频带资源严重受限导致难以分配。因此，当前大多数研究都采用基于竞争的MAC协议，发送节点通过发送控制包竞争到信道后，再向接收节点传输数据。基于竞争的MAC协议能够有效地降低信道接入时延，提高信道利用率，但由于水声传感网络传播时延长且丢包率高，因此提高握手成功的概率是竞争型MAC所面临的挑战。另外，混合型MAC协议结合了多种类型MAC协议的优点，能够满足网络应用层的多种需求。然而，目前提出的大多数水声传感网络MAC协议都是针对静态网络的。在静态网络中，汇聚节点收集传感节点的数据需要经过多跳转发，而由于水声信道条件较差，多跳转发容易发生丢包，并且需要消耗较大的能量，从而降低网络的吞吐量。因此考虑引入移动汇聚节点，利用移动的汇聚节点收集固定传感节点的数据，能够有效地提高信道利用率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有水声传感网络MAC协议不适用移动汇聚节点收集固定传感节点数据的场景，一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法。本专利技术采用基于调度方式的MAC协议，首先由移动汇聚节点广播控制包，通知并邀请数据收集范围内的固定传感节点向其传输数据；固定传感节点在收到该控制包后，若有数据需要传输，则发送控制包请求接入信道以传输数据；移动汇聚节点通过估算传播时延，调度固定传感节点依次发送数据包，较好地解决了可能由多个固定传感节点传输数据而引起的冲突，在一定程度上提高了网络吞吐量，保证了节点传输的公平性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：步骤(1).广播通知：该水声传感网络由1个移动汇聚节点与m个固定传感节点组成，m＞1；假设移动汇聚节点收集数据是周期性触发的，移动汇聚节点初始在空闲状态，当周期性数据收集触发后，移动汇聚节点首先广播通知包，用以通知数据收集范围内的固定传感节点准备向其发送数据，通知包由通知标志位、发送节点地址、固定传感节点请求包初始最大等待发送时间τmax和结束位组成，其中τmax为移动汇聚节点与数据收集范围内的固定传感节点间的最大传播时延，设置为：Rmax为移动汇聚节点上的声学通信机的最大传输距离，由声学通信机发送功率、通信环境等决定，c为等效声速；移动汇聚节点发送通知包后，进入WF_REQUEST(等待请求包)状态，启动WF_REQUEST(等待请求包)定时器，等待来自数据收集范围内的固定传感节点的请求包，WF_REQUEST定时器时长TWF_REQUEST_timer设置为：其中kWF_REQUEST为移动汇聚节点等待请求包次数，0≤kWF_REQUEST≤kmax，kmax为移动汇聚节点在一轮传输过程中的请求包最大等待次数，kmax≥1，θ为一个控制包传输时长，kWF_REQUEST初始值为0，故TWF_REQUEST_timer初始值为3τmax+θ；当WF_REQUEST定时器超时，若移动汇聚节点未接收到来自固定传感节点的请求包，表明数据收集范围内的节点无数据需要传输，或节点发送的请求包发生碰撞，移动汇聚节点保持WF_REQUEST状态，重新启动WF_REQUEST定时器，等待来自数据收集范围内的固定传感节点可能重传的请求包；随着kWF_REQUEST增大，当WF_REQUEST定时器超时，且kWF_REQUEST＝kmax时，若移动汇聚节点仍未接收到来自固定传感节点的请求包，则进入空闲状态；步骤(2).通知响应：当固定传感节点i收到通知包后，如果没有数据需要传输，则保持空闲状态；如果节点i有数据需要传输，则根据收到的通知包中包含的请求包初始最大等待发送时间τmax，在[0,τmax]范围内随机选择一段等待时间TWT_S_REQUEST,i，进入WT_S_REQUEST(等待发送请求包)状态，启动WT_S_REQUEST(等待发送请求包)定时器；当WT_S_REQUEST定时器超时，节点i发送请求包请求接入信道以传输数据，请求包由请求标志位、发送节点地址、接收节点地址、节点等待发送请求包时间TWT_S_REQUEST,i、需要传输的数据包个数和结束位组成；当节点i发送请求包后，进入WF_ORDER(等待排序包)状态，启动WF_ORDER(等待排序包)定时器，等待来自移动汇聚节点的排序包，WF_ORDER定时器的时长TWF_ORDER_timer,i设置为：其中kS_REQUEST,i为节点i发送请求包的次数，0≤kS_REQUEST,i≤kmax，kS_REQUEST,i初始值为0，故TWF_ORDER_timer,i初始值为3τmax+θ-TWT_S_REQUEST,i；当WF_ORDER定时器超时，若节点i未收到排序包，则在范围内随机选择一段等待时间TWT_S_REQUEST,i，进入WT_S_REQUEST状态，启动WT_S_REQUEST定时器，当WT_S_REQUEST定时器超时，节点i重传请求包请求接入信道以传输数据；随着kS_REQUEST,i增大，当WF_ORDER定时器超时，且kS_REQUEST,i＝kmax时，若节点i仍未收到来自移动汇聚节点的排序包，则放弃本轮数据传输，进入空闲状态；步骤(3).广播调度：移动汇聚节点收到固定传感节点发送的请求包后，根据通知包的发送时刻tS_HELLO、请求包的接收时刻tR_REQUEST,i和节点i等待发送请求包时间TWT_S_REQUEST,i，估算出移动汇聚节点与节点i之间的传播时延τsink,i：当WF_REQUEST定时器超时，移动汇聚节点根据估算的与各固定传感节点之间的传播时延递增顺序，安排各节点的数据包发送顺序表；为了补偿移动汇聚节点在靠近或远离节点i时产生传播时延计算误差，从而对数据传输造成影响，在移动汇聚节点接收节点i的第一个数据包前和最后一个数据包后分别设置一个保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：/n步骤(1).广播通知：/n该水声传感网络由1个移动汇聚节点与m个固定传感节点组成，其中m＞1；/n假设移动汇聚节点收集数据是周期性触发的，移动汇聚节点初始在空闲状态，当周期性数据收集触发后，移动汇聚节点首先广播通知包，用以通知数据收集范围内的固定传感节点准备向其发送数据，通知包由通知标志位、发送节点地址、固定传感节点请求包初始最大等待发送时间τ

【技术特征摘要】
20190528 CN 20191045239321.一种数据收集型移动水声传感网络的媒体接入控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1).广播通知：
该水声传感网络由1个移动汇聚节点与m个固定传感节点组成，其中m＞1；
假设移动汇聚节点收集数据是周期性触发的，移动汇聚节点初始在空闲状态，当周期性数据收集触发后，移动汇聚节点首先广播通知包，用以通知数据收集范围内的固定传感节点准备向其发送数据，通知包由通知标志位、发送节点地址、固定传感节点请求包初始最大等待发送时间τmax和结束位组成，其中τmax设置为：Rmax为移动汇聚节点上的声学通信机的最大传输距离，c为等效声速；
移动汇聚节点发送通知包后，进入等待请求包状态，启动等待请求包定时器，等待来自数据收集范围内的固定传感节点的请求包，等待请求包定时器时长TWF_REQUEST_timer设置为：其中kWF_REQUEST为移动汇聚节点等待请求包次数，0≤kWF_REQUEST≤kmax，kmax为移动汇聚节点在一轮传输过程中的请求包最大等待次数，kmax≥1，θ为一个控制包传输时长，kWF_REQUEST初始值为0，TWF_REQUEST_timer初始值为3τmax+θ；
当等待请求包定时器超时，若移动汇聚节点未接收到来自固定传感节点的请求包，移动汇聚节点保持等待请求包状态，重新启动等待请求包定时器，等待来自数据收集范围内的固定传感节点可能重传的请求包；当等待请求包定时器超时，且kWF_REQUEST＝kmax时，若移动汇聚节点仍未接收到来自固定传感节点的请求包，则进入空闲状态；
步骤(2).通知响应：
当固定传感节点i收到通知包后，如果没有数据需要传输，则保持空闲状态；如果节点i有数据需要传输，则根据收到的通知包中包含的请求包初始最大等待发送时间τmax，在[0,τmax]范围内随机选择一段等待时间TWT_S_REQUEST,i，进入等待发送请求包状态，启动等待发送请求包定时器；
当等待发送请求包定时器超时，节点i发送请求包请求接入信道以传输数据，请求包由请求标志位、发送节点地址、接收节点地址、节点等待发送请求包时间TWT_S_REQUEST,i、需要传输的数据包个数和结束位组成；
当节点i发送请求包后，进入等待排序包状态，启动等待排序包定时器，等待来自移动汇聚节点的排序包，等待排序包定时器的时长TWF_ORDER_timer,i设置为：其中kS_REQUEST,i为节点i发送请求包次数，0≤kS_REQUEST,i≤kmax，kS_REQUEST,i初始值为0，TWF_ORDER_timer,i初始值为3τmax+θ-TWT_S_REQUEST,i；
当等待排序包定时器超时，若节点i未收到排序包，则在范围内随机选择一段等待时间TWT_S_REQUEST,i，进入等待发送请求包状态，启动等待发送请求包定时器，当等待发送请求包定时器超时，节点i重传请求包请求接入信道以传输数据；当等待排序包定时器超时，且kS_REQUEST,i＝kmax时，若节点i仍未收到来自移动汇聚节点的排序包，则放弃本轮数据传输，进入空闲状态；
步骤(3).广播调度：
移动汇聚节点收到固定传感节点发送的请求包后，估算与节点i之间的传播时延τsink,i；当等待请求包定时器超时，移动汇聚节点根据估算的与各固定传感节点之间的传播时延递增顺序，安排各节点的数据包发送顺序表；移动汇聚节点调度节点i的数据包发送，即节点i在发送数据包前需要等待一段特定时间，节点i发送数据包前需等待时间TWT_S_DATA,i设置为：其中i,j∈{O1,O2,…,On}，Oi和Oj分别是节点i和节点j的数据包发送顺序，n为确认发送数据包的节点个数，δ是一个数据包传输时长；
移动汇聚节点将计算的各固定传感节点发送数据包之前需等待的时间包含在排序包中广播出去，调度固定传感节点的数据发送，排序包由排序标志位、接收节点地址、相应的节点i等待发送数据时间TWT_S_DATA,i、数据接收总时长TWF_DATA_timer和结束位组成；
移动汇聚节点发送排序包后，进入等待数据包状态，启动等待数据包定时器，等待来自固定传感节点的数据包，等待数据包定时器时长TWF_DATA_timer设置为：
步骤(4).数据传输：
当节点i接收到排序包，关闭等待排序包定时器，若排序包中不含自身地址，表示节点i发送的请求包发生碰撞；若kS_REQUEST,i＝kmax，则节点i放弃本轮数据传输，进入空闲状态；若kS_REQUEST,i＜kmax，则节点i进入静默状态，启动静默定时器，直到接收到来自移动汇聚节点的确认包或邀请包，静默定时器时长TQUIET_timer设置为：
TQUIET_timer＝TWF_DATA_timer+θ；
若排序包中含自身地址，节点i根据节点i等待发送数据时间TWT_S_DATA,i，进入等待发送数据包...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈惠芳，谢磊，周珊维，徐文，
申请(专利权)人：浙江大学，浙江大学舟山海洋研究中心，
类型：发明
国别省市：浙江;33