本发明专利技术公开了一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法。该方法基于传统TDMA机制，采用半双工的通信方式，按时隙划分时间。利用水声通信的长传播时延特性和信道的空间复用性，允许节点向等待应答确认帧的节点发送数据，允许其周围节点均空闲的节点发送数据，并且允许任何在等待应答确认帧的节点接收数据，本发明专利技术实现了一个节点同时与多个节点通信的目的，提高了网络吞吐量，同时降低了网络端到端延迟，适用于水声传感器网络及其它长传播时延通信网络，具有较高的实际应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于CSMA/CA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法， 属于水声信号处理
技术介绍
TDMA (Time Division Multiple Access，时分多址)，是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再被分割成若干个时隙用于发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。网络吞吐量和端到端延迟是体现网络性能的基本技术指标，传统TDMA的MAC协议在网络负载较低时，会出现某些节点可能在其时隙期间无数据可发，而其他节点又不能利用该时隙，导致时隙的浪费，降低了网络吞吐量，增加了端到端延迟，其原因是忽略了信道的空间复用性。CSMA/CA协议是指带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。发出数据前，先发送一个RTS (Request to send，请求传送)报文给目标端，等待目标端回应CTS (Clear to send，清除发送)报文后，才开始发送数据。利用RTS-CTS握手机制，确保接下来传送数据时，不会碰撞。同时由于RTS-CTS帧都很小，所以传送的无效开销较小。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对传统的基于TDMA的MAC协议信道利用率不高的缺点，在传统TDMA协议的基础上增加CSMA/CA竞争机制，提出一种基于CSMA/CA和TDMA 的水声传感器网络MAC层协议的实现方法。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，包括如下步骤 A，网络进行初始化，建立网络节点拓扑结构信息，将时间帧划分成若干个时隙，每个时隙依次由优先段、竞争段、数据段、应答段组成，其中优先段包括PRTS段，PCTS段；竞争段包括 CRTS 段，CCTS 段；B，发送时隙，当前节点通过比较时隙号与节点号，判断该时隙是否属于本节点的主时隙进行下一步动作；C，当时隙是本节点的主时隙时，判断本节点是否有数据需要发送 C-I,当本节点有数据要发送时，先在PRTS段发送PRTS帧，然后判断是否在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧；C-1-1，当本节点在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧时，本节点先广播JAM帧，然后在CRTS段判断是否收到回复给本节点的CRTS帧；C-1-1-1，当收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点回复CCTS帧给优先级最高的节点，然后在数据段发送各数据分帧，并在应答段等待目的节点回复的应答帧； 根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否 当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；C-1-1-2，当没有收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点在数据段发送各数据分帧， 在应答段等待目的节点回复的应答帧；根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否 当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；C-1-2，当本节点在PCTS段没有收到目的节点回复的PCTS帧，此次预约主时隙失败，发送次数计数器+ 1，同时在CRTS段侦听CRTS帧，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；反之不动作；当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙； C-2，当本节点没有数据发送时，则侦听PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；如果握手不成功，则节点进入下一个时隙；D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先判断本节点是否有数据要发送，如果本节点没有数据要发送，则进入C-2步骤，如果本节点有数据要发送，则首先侦听优先段D-1，当在优先段收到的是PCTS帧，则丢弃该PCTS帧进入下一时隙，以免与主节点冲突；当在优先段收到的是PRTS帧，则判断该PRTS帧的目的地址是否是本节点当结果为是，则在PCTS段回复PCTS帧，在数据段接收数据后，在应答段回复应答帧；进入下一个时隙；当结果为否，则进入D-2-1步骤；D-2，当在PRTS段没有收到发给本节点的PRTS帧，且在PCTS段没有收到任何PCTS帧， 则本节点进入CSMA/CA竞争机制D-2-1，在竞争段发送CRTS帧进行竞争，同时侦听其他节点的CRTS帧； 当节点发送CRTS后，在CCTS段内收到发给本节点的CCTS帧回复后没有收到主节点的 JAM帧；且在侦听到的CRTS帧的源节点中，本节点的优先级别不是最高的；则本节点在收到 CRTS帧后，在CRTS段结束时发送CCTS帧，在数据段进入发送数据状态，在应答段等待目的节点回复的应答帧；D-2-2，当节点发送CRTS后，在CCTS段内侦听到主节点发送的JAM帧和回复的CCTS帧， 或者未收到任何的CCTS帧，节点将进入等待状态，延迟一段时间再进入发送数据状态；D-2-3，当本节点处于发送数据状态中时，当有数据帧到来，本节点将不接收该数据帧， 当节点已发送完毕CCTS帧，则直接进入接收数据状态，接收完成后在应答段发送应答帧； D-2-4，根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否 当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙。5进一步的，本专利技术的水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，当本节点在其主时隙发送完数据帧后，在等待目的节点回复的应答帧期间，如果又收到了其它节点的数据帧，则判断该帧是否是在规定的时间 1 A+TAT+TDe前到达本节点；当结果为是，则接收该帧并回复应答帧，然后继续等待未到达的应答帧； 当结果为否，则不接收该帧；其中，。时刻代表应答段的起始时刻，Tat代表目的节点接收本节点的数据帧需要的传输时间，&为延迟时间。本专利技术采用以上技术方案具有如下优点1)利用信道的空间复用性，在PRTS段没有收到发给本节点的PRTS帧，且在PCTS段没有收到任何PCTS帧的其他节点可以适用水声通信的CSMA/CA机制竞争时隙，以提高信道利用率；2)利用水声传感器网络长传播时延的特点，采用在等待确认信息过程中增加接收数据过程的方法，实现一个节点与多个节点同时通信的目的，较传统TDMA协议方法具有更高的网络性能。本专利技术充分利用水声通信长传播时延的特点和信道的空间复用性，允许节点向等待应答确认帧的节点发送数据，允许其周围节点均空闲的节点发送数据，并且允许任何在等待应答确认帧的节点接收数据，有效提高了信道的利用率和网络吞吐量，降低数据的端到端延迟，具有较好的可实现性。附图说明图1是本专利技术的流程框图。图2是本专利技术的帧结构框图。图3是协议拓扑结构示意图。图4是本专利技术中一个节点与两个节点同时通信实例图。图5是仿真采用的网络拓扑结构图。图6是三种协议下网络平均吞吐量随平均负载变化的对比图。图7是三种协议下本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种水声传感器网络长延迟情况下的ＭＡＣ协议实现方法，其特征在于，包括如下步骤：Ａ，网络进行初始化，建立网络节点拓扑结构信息，将时间帧划分成若干个时隙，每个时隙依次由优先段、竞争段、数据段、应答段组成，其中优先段包括ＰＲＴＳ段，ＰＣＴＳ段；竞争段包括ＣＲＴＳ段，ＣＣＴＳ段；Ｂ，发送时隙，当前节点通过比较时隙号与节点号，判断该时隙是否属于本节点的主时隙进行下一步动作；Ｃ，当时隙是本节点的主时隙时，判断本节点是否有数据需要发送：Ｃ－１，当本节点有数据要发送时，先在ＰＲＴＳ段发送ＰＲＴＳ帧，然后判断是否在ＰＣＴＳ段收到目的节点回复的ＰＣＴＳ帧；Ｃ－１－１，当本节点在ＰＣＴＳ段收到目的节点回复的ＰＣＴＳ帧时，本节点先广播ＪＡＭ帧，然后在ＣＲＴＳ段判断是否收到回复给本节点的ＣＲＴＳ帧；Ｃ－１－１－１，当收到回复给本节点的ＣＲＴＳ帧时，则本节点回复ＣＣＴＳ帧给优先级最高的节点，然后在数据段发送各数据分帧，并在应答段等待目的节点回复的应答帧；根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否：当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器＋ １，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；Ｃ－１－１－２，当没有收到回复给本节点的ＣＲＴＳ帧时，则本节点在数据段发送各数据分帧，在应答段等待目的节点回复的应答帧；根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否：当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器＋ １，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；Ｃ－１－２，当本节点在ＰＣＴＳ段没有收到目的节点回复的ＰＣＴＳ帧，此次预约主时隙失败，发送次数计数器＋ １，同时在ＣＲＴＳ段侦听ＣＲＴＳ帧，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；反之不动作；当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；Ｃ－２，当本节点没有数据发送时，则侦听ＰＲＴＳ段或者ＣＲＴＳ段，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；如果握手不成功，则节点进入下一个时隙；Ｄ，当时隙不是本节点的主时隙时，首先判断本节点是否有数据要发送，如果本节点没有数据要发送，则进入Ｃ－２步骤，如果本节点有数据要发送，则首先侦听优先段：Ｄ－１，当在优先段收到的是ＰＣＴＳ帧，则丢弃该ＰＣＴＳ帧进入下一时隙，以免与主节点冲突；当在优先段收到的是ＰＲＴＳ帧，则判断该ＰＲＴＳ帧的目的地址是否是本节点：当结果为是，则在ＰＣＴＳ段回复ＰＣＴＳ帧，在数据段接收数据后，在应答段回复应答帧；进入下一个时隙；当结果为否，则进入Ｄ－２－１步骤；Ｄ－２，当在ＰＲＴＳ段没有收到发给本节点的ＰＲＴＳ帧，且在ＰＣＴＳ段没有收到任何ＰＣＴＳ帧，则本节点进入ＣＳＭＡ／ＣＡ竞争机制：Ｄ－２－１，在竞争段发送ＣＲＴＳ帧进行竞争，同时侦听其他节点的ＣＲＴＳ帧；当节点发送ＣＲＴＳ后，在ＣＣＴＳ段内收到发给本节点的ＣＣＴＳ帧回复后没有收到主节点的ＪＡＭ帧；且在侦听到的ＣＲＴＳ帧的源节点中，本节点的优先级别不是最高的；则本节点在收到ＣＲＴＳ帧后，在ＣＲＴＳ段结束时发送ＣＣＴＳ帧，在数据段进入发送数据状态，在应答段等待目的节点回复的应答帧；Ｄ－２－２，当节点发送ＣＲＴＳ后，在ＣＣＴＳ段内侦听到主节点发送的ＪＡＭ帧和回复的ＣＣＴＳ帧，或者未收到任何的ＣＣＴＳ帧，节点将进入等待状态，延迟一段时间再进入发送数据状态；Ｄ－２－３，当本节点处于发送数据状态中时，当有数据帧到来，本节点将不接收该数据帧，当节点已发送完毕ＣＣＴＳ帧，则直接进入接收数据状态， 接收完成后在应答段发送应答帧；Ｄ－２－４，根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否：当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器＋ １，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙。...
【技术特征摘要】
1. 一种水声传感器网络长延迟情况下的MAC协议实现方法，其特征在于，包括如下步骤A，网络进行初始化，建立网络节点拓扑结构信息，将时间帧划分成若干个时隙，每个时隙依次由优先段、竞争段、数据段、应答段组成，其中优先段包括PRTS段，PCTS段；竞争段包括 CRTS 段，CCTS 段；B，发送时隙，当前节点通过比较时隙号与节点号，判断该时隙是否属于本节点的主时隙进行下一步动作；C，当时隙是本节点的主时隙时，判断本节点是否有数据需要发送 C-I,当本节点有数据要发送时，先在PRTS段发送PRTS帧，然后判断是否在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧；C-1-1，当本节点在PCTS段收到目的节点回复的PCTS帧时，本节点先广播JAM巾贞，然后在CRTS段判断是否收到回复给本节点的CRTS帧；C-1-1-1，当收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点回复CCTS帧给优先级最高的节点，然后在数据段发送各数据分帧，并在应答段等待目的节点回复的应答帧； 根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否 当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；C-1-1-2，当没有收到回复给本节点的CRTS帧时，则本节点在数据段发送各数据分帧， 在应答段等待目的节点回复的应答帧；根据目的节点应答的应答帧的内容判断各数据分帧接收成功与否 当接收成功，则数据发送完毕，进入下一时隙；当有发送失败的数据分帧，则重新发送该数据，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；C-1-2，当本节点在PCTS段没有收到目的节点回复的PCTS帧，此次预约主时隙失败，发送次数计数器+ 1，同时在CRTS段侦听CRTS帧，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；反之不动作；当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙； C-2，当本节点没有数据发送时，则侦听PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，则接收数据，接收完毕后发送应答帧给发送方；如果握手不成功，则节点进入下一个时隙；D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先判断本节点...
【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，方世良，李启玲，王伟娜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84
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