基于自适应竞争窗口ACCW-MAC协议的减少平均端到端时延方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应竞争窗口ACCW

【技术实现步骤摘要】
基于自适应竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少平均端到端时延方法


[0001]本专利技术属于通信
，尤其涉及一种基于自适应竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少平均端到端时延方法。

技术介绍

[0002]水下无线传感网络（UWSN）是由布放于海底的传感器、水下机器人及表面站等组成，通过声信号建立起来的一种无线通信网络。目前国内外 UWSN 研究主要集中在调制方式、网络协议、水声通信同步以及数据处理等问题。设计高效的节点接入退避协议是提高数据传输效率、保证水声网络正常工作的基础。由于 UWSN领域标准的不完整，在协议中每一层尤其是数据链路层中，实现节点对共享信道的接入设计任务艰巨。
[0003]目前，水声通信网络面临以下问题：长传播延时、可用带宽窄、节点数量大导致通信易失败、节点计算和存储能力有限、电源能量受限使得节点寿命较短。
[0004]适用于水下环境的CW
‑
MAC协议包含虚拟载波监听机制和随机退避机制，采用一个预设的固定值作为当前网络的竞争窗口，在网络规模较小时，为各节点选用恒定的CW能够在减小数据包碰撞的同时，提高网络吞吐量，降低端到端时延。但是在节点较多的网络中，CW
‑
MAC协议无法保证竞争节点接入信道的公平性，而且由于CW固定，一旦网络环境发生变化，极易产生信道拥堵或信道资源浪费，影响网络吞吐量。
[0005]而且水下声波的传播时延及波动远大于无线电波，许多借鉴陆地无线通信网络原理设计的水声传感器网络协议未能充分考虑和利用水声传播及其时延变化特性。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种基于自适应变化竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少水声传播时延方法，在确保网络具有较高吞吐量的同时，提高节点随机接入信道的公平性。
[0007]技术方案：本专利技术的基于自适应变化竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少水声传播时延方法，该方法应用于准静态传感器网络的水声无线通信，包括如下步骤：步骤1：对水声通信协议CW
‑
MAC进行仿真，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW
opt
；步骤2：利用测量往返时间法RTT计算全局传感器节点中各传感器节点与簇头节点的传播时延，通过邻居发现协议将各传感器节点与簇头节点的传播时延进行广播；步骤3：在广播过程中引入ACCW机制，根据传播时延的差异自适应地调整节点的竞争窗口CW，并在ACCW机制中引入退避因子K1、K2，在竞争激烈、过渡、竞争缓和三个阶段动态地选取退避因子，从而为每个传感器节点更新竞争窗口CW。
[0008]进一步的，步骤1中，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW
opt
具体包括如下步骤：
步骤1.1：通过仿真软件搭建准静态水声传感器网络模型，该网络包含N个传感器节点，随机分布在以簇头节点为中心的正方形区域内，每个传感器节点都可侦听到其他节点发送的数据包，设置传感器节点发送的数据包、通信速率和仿真时间；步骤1.2：计算平均吞吐量TH
ave
：式中，Num、PacketSize、t分别表示簇头节点成功接受到的数据包数、数据包大小和仿真时间，PacketSize
×
8表示单个数据包的位数；步骤1.3：在准静态传感器网络中对CW
‑
MAC协议进行仿真，传感器节点CW值从10逐渐增加至400，找到使得该网络平均吞吐量最大时候的CW，将其记作CW
opt
；步骤1.4：在验证基于水声传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议方法时，选取和步骤1.2相同的准静态水声传感器网络模型，为每个传感器节点初始化设置竞争窗口为CW
opt
。
[0009]进一步的，其特征在于，所述仿真软件为NS
‑
3。
[0010]进一步的，其特征在于，步骤2中，利用测量往返时间法RTT计算各传感器节点与簇头节点的传播时延，具体包括如下步骤：步骤2.1：测量往返时间法RTT描述如下：首先节点S向节点R发送一个询问包，并保存自己的发包时间，其中T=S表示在节点S的时间轴上，节点R收到询问包后，记录收包时间，然后立即向节点S 发送应答包，在应答包中添加接收询问包时间和发送应答包时间这两个时刻的时间戳，节点S 收到应答包后记录收包时间，通过两节点收发时刻相减得出节点S和R之间的传播时延，见如下公式：；步骤2.2：参照步骤2.1的方法计算出准静态水声传感器网络中各传感器节点到簇头节点之间的传播时延，该传播时延的集合，则各传感器节点到簇头节点的平均传播时延为：其中n为准静态水声传感器网络中的传感器数目；步骤2.3：簇头节点启动邻居发现协议，将平均传播时延D
ave
以及各传感器节点与它的传播时延广播通知全网；步骤2.4：各节点根据D
ave
和D
i
采用相应策略改变CW，当D
i
＜D
ave
时，传感器节点距离簇头节点近，采用积极的发送策略，参考D
ave
和D
i
的比例减小当前节点的竞争窗口值，缩短节点的退避时间，使其快速发送数据；当D
i
＞D
ave
时，传感器节点距离簇头节点远，采用保守的发送策略，增大当前竞争窗口值，按照预定的通信计划监听信道、等待发送数据。
[0011]进一步的，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：步骤3.1：引入两个窗口阈值、将网络的竞争程度划分为竞争激烈、过渡以及竞争缓和三个阶段，、的取值分别为32、128；步骤3.2：ACCW退避机制中引入退避因子K1、K2， 退避因子K1的计算公式如下：
；退避因子K2的计算公式如下：；步骤3.3：按照ACCW机制的策略差异化调整各传感器节点的CW，参照如下公式进行调整：；其中，，n为准静态水声传感器网络中的传感器数目。
[0012]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：（1）水下通信传播时延较大，各个节点到簇头节点的传播时延各异，导致节点恢复空闲的时刻与簇头恢复空闲的时刻不同，使得簇头空闲出来的信道不能被及时利用，形成一个空窗期，造成信道利用率和网络吞吐量下降。为解决上述问题，本文提出一种基于传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议，该协议对传统CW
‑
MAC协议的随机退避机制进行改进，根据各传感器节点到簇头的传播时延对各节点的竞争窗口值进行差异化设置。
[0013]（2）为提高节点接入信道的公平性，在ACCW退避机制中引入退避因子 K1、K2，根据给定的初始窗口值判断信道的工作状态，基于当前工作状态自适应地选取退避因子。
[0014]（3）借助仿真软件NS3将提出的ACCW
‑
MAC协议与传统CW
‑
MAC协议进行仿真对比。
附图说明
[0015]图1为CW...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，该方法应用于准静态传感器网络的水声无线通信，基于水下各传感器节点与簇头节点的场景，实现各传感器节点与簇头节点间的通信，包括如下步骤：步骤1：对水声通信协议CW
‑
MAC进行仿真，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW
opt
；步骤2：利用测量往返时间法RTT计算全局传感器节点中各传感器节点与簇头节点的传播时延，通过邻居发现协议将各传感器节点与簇头节点的传播时延进行广播；步骤3：在广播过程中引入ACCW机制，根据传播时延的差异自适应地调整节点的竞争窗口CW，并在ACCW机制中引入退避因子K1、K2，在竞争激烈、过渡、竞争缓和三个阶段动态地选取退避因子，从而为每个传感器节点更新竞争窗口CW，实现各传感器节点与簇头节点间的通信。2.根据权利要求1所述基于自适应竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，步骤1中，初始化全局传感器节点的竞争窗口值CW
opt
具体包括如下步骤：步骤1.1：通过仿真软件搭建准静态水声传感器网络模型，该网络包含N个传感器节点，随机分布在以簇头节点为中心的正方形区域内，每个传感器节点都可侦听到其他节点发送的数据包，设置传感器节点发送的数据包、通信速率和仿真时间；步骤1.2：计算平均吞吐量TH
ave
：式中，Num、PacketSize、t分别表示簇头节点成功接受到的数据包数、数据包大小和仿真时间，PacketSize
×
8表示单个数据包的位数；步骤1.3：在准静态传感器网络中对CW
‑
MAC协议进行仿真，传感器节点CW值从10逐渐增加至400，找到使得该网络平均吞吐量最大时候的CW，将其记作CW
opt
；步骤1.4：在验证基于水声传播时延的自适应变化竞争窗口MAC协议方法时，选取和步骤1.2相同的准静态水声传感器网络模型，为每个传感器节点初始化设置竞争窗口为CW
opt
。3.根据权利要求2所述基于自适应竞争窗口ACCW
‑
MAC协议的减少平均端到端时延方法，其特征在于，所述仿真软件为NS
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭永安，郭静，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：