專利名稱：水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的mac協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于CSMA/CA和TDMA的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法， 屬于水聲信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TDMA (Time Division Multiple Access，時分多址)，是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再被分割成若干個時隙用于發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站發(fā)向多個移動終端的信號都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。網(wǎng)絡(luò)吞吐量和端到端延遲是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的基本技術(shù)指標(biāo)，傳統(tǒng)TDMA的MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時，會出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)可能在其時隙期間無數(shù)據(jù)可發(fā)，而其他節(jié)點(diǎn)又不能利用該時隙，導(dǎo)致時隙的浪費(fèi)，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加了端到端延遲，其原因是忽略了信道的空間復(fù)用性。CSMA/CA協(xié)議是指帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問，發(fā)送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量“避免”。發(fā)出數(shù)據(jù)前，先發(fā)送一個RTS (Request to send，請求傳送)報文給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)CTS (Clear to send，清除發(fā)送)報文后，才開始發(fā)送數(shù)據(jù)。利用RTS-CTS握手機(jī)制，確保接下來傳送數(shù)據(jù)時，不會碰撞。同時由于RTS-CTS幀都很小，所以傳送的無效開銷較小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)的基于TDMA的MAC協(xié)議信道利用率不高的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上增加CSMA/CA競爭機(jī)制，提出一種基于CSMA/CA和TDMA 的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟 A，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，將時間幀劃分成若干個時隙，每個時隙依次由優(yōu)先段、競爭段、數(shù)據(jù)段、應(yīng)答段組成，其中優(yōu)先段包括PRTS段，PCTS段；競爭段包括 CRTS 段，CCTS 段；
B，發(fā)送時隙，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通過比較時隙號與節(jié)點(diǎn)號，判斷該時隙是否屬于本節(jié)點(diǎn)的主時隙進(jìn)行下一步動作；
C，當(dāng)時隙是本節(jié)點(diǎn)的主時隙時，判斷本節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送 C-I,當(dāng)本節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先在PRTS段發(fā)送PRTS幀，然后判斷是否在PCTS段收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀；
C-1-1，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在PCTS段收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀時，本節(jié)點(diǎn)先廣播JAM幀，然后在CRTS段判斷是否收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀；
C-1-1-1，當(dāng)收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀時，則本節(jié)點(diǎn)回復(fù)CCTS幀給優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)，然后在數(shù)據(jù)段發(fā)送各數(shù)據(jù)分幀，并在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀； 根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；
當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；
C-1-1-2，當(dāng)沒有收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀時，則本節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)段發(fā)送各數(shù)據(jù)分幀， 在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀；
根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；
當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；
C-1-2，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在PCTS段沒有收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀，此次預(yù)約主時隙失敗，發(fā)送次數(shù)計(jì)數(shù)器+ 1，同時在CRTS段偵聽CRTS幀，如果握手成功，則接收數(shù)據(jù)，接收完畢后發(fā)送應(yīng)答幀給發(fā)送方；反之不動作；
當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙； C-2，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，則偵聽PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，則接收數(shù)據(jù)，接收完畢后發(fā)送應(yīng)答幀給發(fā)送方；如果握手不成功，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；
D，當(dāng)時隙不是本節(jié)點(diǎn)的主時隙時，首先判斷本節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果本節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則進(jìn)入C-2步驟，如果本節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則首先偵聽優(yōu)先段
D-1，當(dāng)在優(yōu)先段收到的是PCTS幀，則丟棄該P(yáng)CTS幀進(jìn)入下一時隙，以免與主節(jié)點(diǎn)沖
突；
當(dāng)在優(yōu)先段收到的是PRTS幀，則判斷該P(yáng)RTS幀的目的地址是否是本節(jié)點(diǎn)當(dāng)結(jié)果為是，則在PCTS段回復(fù)PCTS幀，在數(shù)據(jù)段接收數(shù)據(jù)后，在應(yīng)答段回復(fù)應(yīng)答幀；進(jìn)入下一個時隙；當(dāng)結(jié)果為否，則進(jìn)入D-2-1步驟；
D-2，當(dāng)在PRTS段沒有收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀， 則本節(jié)點(diǎn)進(jìn)入CSMA/CA競爭機(jī)制
D-2-1，在競爭段發(fā)送CRTS幀進(jìn)行競爭，同時偵聽其他節(jié)點(diǎn)的CRTS幀； 當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CRTS后，在CCTS段內(nèi)收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的CCTS幀回復(fù)后沒有收到主節(jié)點(diǎn)的 JAM幀；且在偵聽到的CRTS幀的源節(jié)點(diǎn)中，本節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級別不是最高的；則本節(jié)點(diǎn)在收到 CRTS幀后，在CRTS段結(jié)束時發(fā)送CCTS幀，在數(shù)據(jù)段進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀；
D-2-2，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CRTS后，在CCTS段內(nèi)偵聽到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的JAM幀和回復(fù)的CCTS幀， 或者未收到任何的CCTS幀，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入等待狀態(tài)，延遲一段時間再進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；
D-2-3，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)中時，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀到來，本節(jié)點(diǎn)將不接收該數(shù)據(jù)幀， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)已發(fā)送完畢CCTS幀，則直接進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收完成后在應(yīng)答段發(fā)送應(yīng)答幀； D-2-4，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；
當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙。
5
進(jìn)一步的，本發(fā)明的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在其主時隙發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后，在等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀期間，如果又收到了其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，則判斷該幀是否是在規(guī)定的時間 1 A+TAT+TDe前到達(dá)本節(jié)點(diǎn)；
當(dāng)結(jié)果為是，則接收該幀并回復(fù)應(yīng)答幀，然后繼續(xù)等待未到達(dá)的應(yīng)答幀； 當(dāng)結(jié)果為否，則不接收該幀；
其中，。時刻代表應(yīng)答段的起始時刻，Tat代表目的節(jié)點(diǎn)接收本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀需要的傳輸時間，&為延遲時間。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)
1)利用信道的空間復(fù)用性，在PRTS段沒有收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀的其他節(jié)點(diǎn)可以適用水聲通信的CSMA/CA機(jī)制競爭時隙，以提高信道利
用率；
2)利用水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長傳播時延的特點(diǎn)，采用在等待確認(rèn)信息過程中增加接收數(shù)據(jù)過程的方法，實(shí)現(xiàn)一個節(jié)點(diǎn)與多個節(jié)點(diǎn)同時通信的目的，較傳統(tǒng)TDMA協(xié)議方法具有更高的網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明充分利用水聲通信長傳播時延的特點(diǎn)和信道的空間復(fù)用性，允許節(jié)點(diǎn)向等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，允許其周圍節(jié)點(diǎn)均空閑的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許任何在等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，有效提高了信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低數(shù)據(jù)的端到端延遲，具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。
圖1是本發(fā)明的流程框圖。圖2是本發(fā)明的幀結(jié)構(gòu)框圖。圖3是協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明中一個節(jié)點(diǎn)與兩個節(jié)點(diǎn)同時通信實(shí)例圖。圖5是仿真采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖6是三種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量隨平均負(fù)載變化的對比圖。圖7是三種協(xié)議下能量消耗性能隨平均負(fù)載變化的對比圖。圖8是三種協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)平均端到端延遲隨平均負(fù)載變化的對比圖。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明針對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)，利用信道的空間復(fù)用性和長傳播時延特性，增加CSMA/CA機(jī)制競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，在傳統(tǒng)TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上增加CSMA/CA競爭機(jī)制，并利用水聲通信的的長傳播延遲特點(diǎn)和信道的空間復(fù)用性，允許節(jié)點(diǎn)向等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，允許其周圍節(jié)點(diǎn)均空閑的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許任何在等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低數(shù)據(jù)的端到端延遲，實(shí)現(xiàn)了一個節(jié)點(diǎn)與多個節(jié)點(diǎn)同時通信。實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明的具體流程如下
1、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，
2、節(jié)點(diǎn)判斷時隙歸屬，根據(jù)時隙是否屬于自己進(jìn)行下一步動作，
3、如果到來的時隙是自己的主時隙，且沒有數(shù)據(jù)要發(fā)，偵聽CRTS幀，如果握手成功， 則接收數(shù)據(jù)，
4、如果到來的時隙是自己的主時隙，且有數(shù)據(jù)要發(fā)，則節(jié)點(diǎn)在時隙的PRTS段開始時向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送PRTS幀。收到此節(jié)點(diǎn)的PRTS幀的其他節(jié)點(diǎn)，判斷PRTS幀中的目的地址是否是自己，若是自己，則在PCTS段開始時回復(fù)PCTS幀，
5、如果節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀，則節(jié)點(diǎn)成功預(yù)約了主時隙，因可靠廣播要求兩跳范圍內(nèi)同一時刻最多只能有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，故其它收到PCTS幀的節(jié)點(diǎn)均不再競爭信道，這樣就緩解了隱終端問題，
6、當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功預(yù)約了主時隙后，發(fā)送JAM幀，以使節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)不能接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以免造成沖突；
7、主節(jié)點(diǎn)發(fā)送JAM幀后，偵聽CRTS幀，如果收到目的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)B的CRTS幀，則回復(fù) CCTS給優(yōu)先級別最高的CCTS的源節(jié)點(diǎn)；然后在數(shù)據(jù)段發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)答幀的接收情況決定重發(fā)或者放棄發(fā)送，
8、如果在PCTS段結(jié)束時節(jié)點(diǎn)未收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀，則節(jié)點(diǎn)預(yù)約主時隙失敗， 計(jì)數(shù)器加一，若該數(shù)據(jù)包已經(jīng)5次失敗發(fā)送，則將該數(shù)據(jù)包從MAC層的緩存隊(duì)列中刪除，放棄發(fā)送，同時偵聽CRTS幀，如果別的節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)握手成功，則接收數(shù)據(jù)，反之，不動作，
9、如果節(jié)點(diǎn)需要競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，則在優(yōu)先段時其處于偵聽狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)信道有PCTS幀傳輸，則該時隙不發(fā)送以避免與主節(jié)點(diǎn)沖突；若發(fā)現(xiàn)信道有目的節(jié)點(diǎn)是本節(jié)點(diǎn)的 PRTS幀，則在優(yōu)先段回復(fù)PCTS幀，然后在數(shù)據(jù)段接收數(shù)據(jù)，應(yīng)答段回復(fù)應(yīng)答，
10、如果節(jié)點(diǎn)需要競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，若未發(fā)現(xiàn)信道有PCTS幀傳輸并且即使有 PRTS幀傳輸?shù)康牡刂凡皇潜竟?jié)點(diǎn)，則可在競爭段發(fā)送CRTS幀，以請求獲得該時隙的使用權(quán)，
11、如果節(jié)點(diǎn)需要競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，若在本節(jié)點(diǎn)和偵聽到的CRTS幀的源節(jié)點(diǎn)中，本節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級別不是最高，且有發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀，且未收到JAM幀，則回復(fù)CCTS 幀給偵聽到的優(yōu)先級別最高的CRTS的源節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，
12、如果節(jié)點(diǎn)需要競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，若不執(zhí)行10，且接收到CCTS幀回復(fù)，則成功獲得該時隙的使用權(quán)，再判斷若沒有收到過JAM幀，則在數(shù)據(jù)段到來時發(fā)送數(shù)據(jù)，若收到過 JAM幀，則在數(shù)據(jù)段到來時延遲一段時間再開始發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免與主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)沖突，并根據(jù)應(yīng)答幀的接收情況決定重發(fā)或者放棄發(fā)送，
13、如果節(jié)點(diǎn)需要競爭其他節(jié)點(diǎn)的主時隙，若節(jié)點(diǎn)沒有回復(fù)CCTS且沒有接收到CCTS回復(fù)，則也成功地獲得該時隙的使用權(quán)，在數(shù)據(jù)段到來時延遲一段時間再開始發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)沖突，然后根據(jù)應(yīng)答幀的接收情況決定重發(fā)或者放棄發(fā)送。
如圖2所示，本發(fā)明的幀結(jié)構(gòu)框圖中，每個時間幀被分為η個時隙，η為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，每個時隙依次由PRTS段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，數(shù)據(jù)段，應(yīng)答段組成。對于非主節(jié)點(diǎn)來說，CRTS段和CCTS段組成競爭階段，節(jié)點(diǎn)在此階段內(nèi)可以適用水聲通信的CSMA/ CA機(jī)制競爭時隙。其中，PRTS、PCTS分別代表優(yōu)先段的請求傳送和清除發(fā)送；CRTS、CCTS分別代表競爭段的請求發(fā)送和清除發(fā)送。如圖3所示，本發(fā)明的協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，虛線圓代表節(jié)點(diǎn)的通信范圍，可以看到節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C都在節(jié)點(diǎn)B的通信范圍內(nèi)，但節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)C都不在彼此的通信范圍內(nèi)， 不能直接通信，但可以通過節(jié)點(diǎn)B中繼進(jìn)行通信。根據(jù)本發(fā)明，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，在等待節(jié)點(diǎn)C回復(fù)的應(yīng)答幀時，可以接收節(jié)點(diǎn)A發(fā)給節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)幀并回復(fù)應(yīng)答幀，而不影響節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)一個節(jié)點(diǎn)與多個節(jié)點(diǎn)同時通信。如圖4中，節(jié)點(diǎn)B已取得時隙使用權(quán)，在數(shù)據(jù)段到來時發(fā)送數(shù)據(jù)幀給節(jié)點(diǎn)A。節(jié)點(diǎn) C也取得時隙的使用權(quán)，但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)采用半雙工的通訊方式，節(jié)點(diǎn)C需延時一段時間再發(fā)送數(shù)據(jù)幀給節(jié)點(diǎn)B，以避免節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的數(shù)據(jù)幀到達(dá)節(jié)點(diǎn)B時節(jié)點(diǎn)B仍在發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致此數(shù)據(jù)幀不能被成功接收。節(jié)點(diǎn)A收到節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)幀，然后在應(yīng)答段到來時回復(fù)應(yīng)答幀。因節(jié)點(diǎn)B收到的數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)C)在發(fā)送數(shù)據(jù)時是采用延時策略的，故節(jié)點(diǎn)B在回復(fù)應(yīng)答幀時也要延時一段時間，以免與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)答幀碰撞。節(jié)點(diǎn)B回復(fù)完應(yīng)答幀后接收到節(jié)點(diǎn)A回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀。節(jié)點(diǎn)C也收到了節(jié)點(diǎn)B回復(fù)的應(yīng)答幀。這樣，節(jié)點(diǎn) B成功地在一個時隙內(nèi)同時與節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C通信。實(shí)施例2
針對圖5所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真參數(shù)分別為信號傳播速度C= 1500 m /s，節(jié)點(diǎn)的通信范圍/沢=1500 ，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率々=1000 bit / ·5，數(shù)據(jù)幀長4 = 1024 bits,
RTS和CTS幀長乙=88力its，應(yīng)答幀長=104力its，計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)門限為5，信道差錯率為0. 003，MAC層緩沖隊(duì)列大小為256000力its，仿真時間為Ih0幀長為11. 3 ^，其中PRTS 段，PCTS段，CRTS段，CCTS段，數(shù)據(jù)段，應(yīng)答段的持續(xù)時間分別為1. 1 5,1.1 2 .15,1.1 5,4.6 5,1.3 S。仿真事務(wù)流的包產(chǎn)生時間間隔為定值，總共仿真了 37組事務(wù)流，到達(dá)時間間隔分別為 5 s,6 s,7 s,8 s,9 s, 10 5,15 5,20 5,25 5,30 5,35 5,40 5,45 5,50 5,55 5,60 5,65 s,70 s,75 s,80 s,85 s,90 s,95 s,100 5,110 5,130 5,150 5,170 5,200 5, 230 5,260 5,300 5,330 5,360 5,400 5,450 5,500 s。仿真例中將傳統(tǒng)簡單的TDMA協(xié)議稱為STDMA協(xié)議，另外，將僅在AGENT協(xié)議的基礎(chǔ)上增加應(yīng)答段，而并不增加節(jié)點(diǎn)在等待確認(rèn)信息過程中接收數(shù)據(jù)過程的方法稱為 C-AGENT協(xié)議。通過仿真得到了 C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實(shí)現(xiàn)方法在數(shù)據(jù)幀幀長為10 bits時的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載變化的對比圖，如圖6所示。C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實(shí)現(xiàn)方法在數(shù)據(jù)幀幀長為10 bits時的能量消耗性能隨平均負(fù)載變化的對比圖，如圖7所示。C-AGENT-LPD與STDMA，C-AGENT三種實(shí)現(xiàn)方法在數(shù)據(jù)幀幀長為10 bits時的網(wǎng)絡(luò)平均端到端延遲隨網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載變化的對比圖，如圖8所示。
權(quán)利要求
1. 一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟A，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，將時間幀劃分成若干個時隙，每個時隙依次由優(yōu)先段、競爭段、數(shù)據(jù)段、應(yīng)答段組成，其中優(yōu)先段包括PRTS段，PCTS段；競爭段包括 CRTS 段，CCTS 段；B，發(fā)送時隙，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通過比較時隙號與節(jié)點(diǎn)號，判斷該時隙是否屬于本節(jié)點(diǎn)的主時隙進(jìn)行下一步動作；C，當(dāng)時隙是本節(jié)點(diǎn)的主時隙時，判斷本節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送 C-I,當(dāng)本節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先在PRTS段發(fā)送PRTS幀，然后判斷是否在PCTS段收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀；C-1-1，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在PCTS段收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀時，本節(jié)點(diǎn)先廣播JAM巾貞，然后在CRTS段判斷是否收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀；C-1-1-1，當(dāng)收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀時，則本節(jié)點(diǎn)回復(fù)CCTS幀給優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)，然后在數(shù)據(jù)段發(fā)送各數(shù)據(jù)分幀，并在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀； 根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；C-1-1-2，當(dāng)沒有收到回復(fù)給本節(jié)點(diǎn)的CRTS幀時，則本節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)段發(fā)送各數(shù)據(jù)分幀， 在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀；根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；C-1-2，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在PCTS段沒有收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PCTS幀，此次預(yù)約主時隙失敗，發(fā)送次數(shù)計(jì)數(shù)器+ 1，同時在CRTS段偵聽CRTS幀，如果握手成功，則接收數(shù)據(jù)，接收完畢后發(fā)送應(yīng)答幀給發(fā)送方；反之不動作；當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙； C-2，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，則偵聽PRTS段或者CRTS段，如果握手成功，則接收數(shù)據(jù)，接收完畢后發(fā)送應(yīng)答幀給發(fā)送方；如果握手不成功，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙；D，當(dāng)時隙不是本節(jié)點(diǎn)的主時隙時，首先判斷本節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果本節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則進(jìn)入C-2步驟，如果本節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則首先偵聽優(yōu)先段D-1，當(dāng)在優(yōu)先段收到的是PCTS幀，則丟棄該P(yáng)CTS幀進(jìn)入下一時隙，以免與主節(jié)點(diǎn)沖突；當(dāng)在優(yōu)先段收到的是PRTS幀，則判斷該P(yáng)RTS幀的目的地址是否是本節(jié)點(diǎn)當(dāng)結(jié)果為是，則在PCTS段回復(fù)PCTS幀，在數(shù)據(jù)段接收數(shù)據(jù)后，在應(yīng)答段回復(fù)應(yīng)答幀；進(jìn)入下一個時隙；當(dāng)結(jié)果為否，則進(jìn)入D-2-1步驟；D-2，當(dāng)在PRTS段沒有收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的PRTS幀，且在PCTS段沒有收到任何PCTS幀， 則本節(jié)點(diǎn)進(jìn)入CSMA/CA競爭機(jī)制D-2-1，在競爭段發(fā)送CRTS幀進(jìn)行競爭，同時偵聽其他節(jié)點(diǎn)的CRTS幀； 當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CRTS后，在CCTS段內(nèi)收到發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的CCTS幀回復(fù)后沒有收到主節(jié)點(diǎn)的 JAM幀；且在偵聽到的CRTS幀的源節(jié)點(diǎn)中，本節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級別不是最高的；則本節(jié)點(diǎn)在收到 CRTS幀后，在CRTS段結(jié)束時發(fā)送CCTS幀，在數(shù)據(jù)段進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，在應(yīng)答段等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀；D-2-2，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CRTS后，在CCTS段內(nèi)偵聽到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的JAM幀和回復(fù)的CCTS幀， 或者未收到任何的CCTS幀，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入等待狀態(tài)，延遲一段時間再進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；D-2-3，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)中時，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀到來，本節(jié)點(diǎn)將不接收該數(shù)據(jù)幀， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)已發(fā)送完畢CCTS幀，則直接進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收完成后在應(yīng)答段發(fā)送應(yīng)答幀； D-2-4，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的應(yīng)答幀的內(nèi)容判斷各數(shù)據(jù)分幀接收成功與否 當(dāng)接收成功，則數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，進(jìn)入下一時隙；當(dāng)有發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分幀，則重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，發(fā)送次數(shù)為計(jì)數(shù)器+ 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到了預(yù)設(shè)門限，該數(shù)據(jù)不再重發(fā)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個時隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于當(dāng)本節(jié)點(diǎn)在其主時隙發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后，在等待目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的應(yīng)答幀期間，如果又收到了其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，則判斷該幀是否是在規(guī)定的時間 A+TAT+TDe前到達(dá)本節(jié)點(diǎn)當(dāng)結(jié)果為是，則接收該幀并回復(fù)應(yīng)答幀，然后繼續(xù)等待未到達(dá)的應(yīng)答幀； 當(dāng)結(jié)果為否，則不接收該幀；其中，^時刻代表應(yīng)答段的起始時刻，Tat代表目的節(jié)點(diǎn)接收本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀需要的傳輸時間，&為延遲時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)長延遲情況下的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法。該方法基于傳統(tǒng)TDMA機(jī)制，采用半雙工的通信方式，按時隙劃分時間。利用水聲通信的長傳播時延特性和信道的空間復(fù)用性，允許節(jié)點(diǎn)向等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，允許其周圍節(jié)點(diǎn)均空閑的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許任何在等待應(yīng)答確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一個節(jié)點(diǎn)同時與多個節(jié)點(diǎn)通信的目的，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時降低了網(wǎng)絡(luò)端到端延遲，適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)及其它長傳播時延通信網(wǎng)絡(luò)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。
文檔編號H04L1/16GK102195763SQ20111011949
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者方世良, 李啟玲, 王偉娜, 高翔 申請人:東南大學(xué)