一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法

摘要

本发明提供了一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法，在有数据发送需求的固定节点收到Sink节点的ND包后，发送RTS包给Sink节点进行数据发送预约；Sink节点根据RTS包内的信息计算传播延迟等信息，进而计算出各节点的数据发送时间，完成各节点数据传输调度。本发明基于预约调度机制有效避免了数据包的冲突问题，同时减少了节点间的握手时间，明显提高了信道利用率，提升了数据传输效率,此外，本发明不需要节点间提前进行时间同步，显著降低了水声通信网络的实施要求。

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法。

背景技术

不同于陆地上利用电磁波作为载体进行信息传输，海洋里更多地采用声学方式进行通信，水声通信是目前唯一能实现水下长距离信息传输的方式。然而声波具有传播速度慢、频率低等固有特性，使得水声通信与电磁波通信产生了巨大差异，适用于电磁波的通信协议往往无法移植到水声通信中去。媒体访问控制(MAC)协议属于数据链路层协议，用于解决网络中共享信道发生竞争时如何分配信道使用权的问题。当前比较常用的水声通信MAC协议一般基于随机接入机制和握手机制，前者在多节点同时发送信息时极易发生冲突致使通信效率急剧下降，后者虽然可以在一定程度上避免冲突的发生，但因水声信道传播时延较长的特点使得握手过程变得很长，而有效信息的传输时间却很短，导致信道利用率不高。特别地，常见的水声MAC协议往往只考虑了固定节点间的通信问题，对于存在移动节点的通信网络的适用性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法，包括下列步骤：

S1、移动Sink节点向外广播发送ND包，所述ND包中包含目的地址和源地址以及发送时间；

S2、收到ND包的固定节点，如果有数据发送需求，则选择一个随机延迟时间，待延迟时间耗尽后发送RTS包给移动Sink节点进行数据发送预约，该RTS包中包含目的地址和源地址以及延迟时间等信息；

S3、移动Sink节点收到有数据发送需求的固定节点的RTS包后，计算出各固定节点数据的发送顺序与发送时间，然后移动Sink节点将包含上述信息的ORDER包广播发送给各有数据发送需求的固定节点；

S4、各固定节点收到ORDER包后提取出各自的发送时间信息，同时开启计时器，计时结束后发送自己的数据DATA包给移动Sink节点；

S5、移动Sink节点收到各固定节点的DATA包后，将数据包的接收情况信息写入ACK包，然后广播发送给各节点,完成通信。

优选的，步骤S1中，所述发送时间为移动Sink节点自身时钟时间。

优选的，步骤S2中，所述随机延迟时间可根据移动Sink节点有效通信范围内最大的固定节点数目来确定，具体方法如下：

设最大移动Sink节点数目为M，来自固定节点的RTS包的传输时间为T_RTS,则某固定节点的延迟时间为n*T_RTS，其中n为(0,M)的一个随机整数。

优选的，所述步骤S3中,移动Sink节点在t_REND时刻后，不再接收RTS包，t_REND时刻的计算方法为：

设移动Sink节点通信范围内的最大传输时延为τ_max，移动Sink节点发送ND包的时刻为t_ND，则t_REND＝t_ND+2*τ_max+M*t_RTS。

优选的，所述步骤S3中,所述固定节点的发送时间是指固定节点收到来自移动Sink节点的ORDER包到发送自己的数据包期间所要等待的时间，其计算方法为：

S31、移动Sink节点收到来自各固定节点的RTS包后，提取其中的延迟时间信息，计算其与固定节点的传播时延，设固定节点i的延迟时间为n*T_RTS，为移动Sink节点接收来自固定节点i的RTS包的开始时刻，T_ND为发送ND包的持续时间，则固定节点i与移动Sink节点的传播延迟τ_s,i为：

S32、跟据移动Sink节点与各固定节点的传播延迟τ_s,i计算发送顺序以及发送所需要的等待时间，其方法为，所述发送顺序由传播时延来确定，传播延迟越小，发送顺序越靠前，根据发送顺序计算各固定节点的等待时间，第i个固定节点的等待时间为：

优选的，所述步骤S5中,移动Sink节点在t_DEND时刻后，不再接收来自固定节点的DATA包，t_DEND时刻的计算方法为：设移动Sink节点发送ORDER包的时刻为t_ORD,最后一个发送数据的固定节点与Sink节点的传播时延为τ_s,last，最后一个发送数据的固定节点的发送等待时间为TW_last，则t_DEND＝t_ORD+TW_last+2*τ_s,last。

优选的，所述步骤S5中,所述ACK包中的具体包含的信息为，各节点的数据是否被成功接收的标志，如果节点i的数据被成功接收，则标志位为1，否则为0。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

本发明提供的一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法，在基于预约调度机制的基础上，有效避免了多节点同时占用信道时数据包的冲突问题，从而极大地降低了数据包的重传概率，进而缩小了数据的平均传输时延，提高了数据的传输效率；并显著减少了Sink节点与固定节点的握手次数，大大减少了节点间用于握手的时间，使得实际有用数据的传输时间比重明显提升，有效提高了信道利用率；同时本发明不要求网络中的各节点进行时间同步，减小了网络的复杂度；本发明主要计算工作由Sink节点完成，有效节省了固定节点的电量，使得水下固定节点单次布放的工作时间得到了明显增加，进而延长了水声通信网络的生命周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的网络拓扑图；

图3为本发明实施例提供的数据传输时序图。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图3，一种基于预约调度机制的水声媒体访问控制方法，其中包括若干固定节点A、B、C、D以及唯一的移动Sink节点，通过下列方式进行通信：

S1、移动Sink节点向外广播发送ND包，所述ND包中包含目的地址和源地址以及发送时间；

S2、收到ND包的固定节点，如果有数据发送需求，则选择一个随机延迟时间，待延迟时间耗尽后发送RTS包给移动Sink节点进行数据发送预约，该RTS包中包含目的地址和源地址以及延迟时间等信息，所述随机延迟时间可根据移动Sink节点有效通信范围内最大的固定节点数目来确定，具体方法如下：

设有效通信范围内最大的固定节点数目为M，来自固定节点的RTS包的传输时间为T_RTS,则某固定节点的延迟时间为n*T_RTs，其中n为(0,M)的一个随机整数。

S3、移动Sink节点收到有数据发送需求的固定节点的RTS包后，计算出有数据发送需求的固定节点数据的发送顺序与发送时间，然后移动Sink节点将包含上述信息的ORDER包广播发送给各固定节点；

其中移动Sink节点在t_REND时刻后，不在接收RTS包，t_REND时刻的计算方法为，设移动Sink节点通信范围内的最大传输时延为τ_max，移动Sink节点发送ND包的时刻为t_ND，则t_REND＝t_ND+2*t_max+M*T_RTS。

固定节点的发送时间是指固定节点收到来自移动Sink节点的ORDER包到发送自己的数据包期间所要等待的时间，其计算方法为：

S31、移动Sink节点收到来自各固定节点的RTS包后，提取其中的延迟时间信息，计算其与固定节点的传播时延，设固定节点i的延迟时间为n*T_RTS，为移动Sink节点接收来自固定节点i的RTS包的开始时刻，T_ND为发送ND包的持续时间，则固定节点i与移动Sink节点的传播延迟τ_s,i为：

S32、跟据移动Sink节点与各固定节点的传播延迟τ_s,i计算发送顺序以及发送所需要的等待时间，其方法为，所述发送顺序由传播时延来确定，传播延迟越小，发送顺序越靠前，根据发送顺序计算各固定节点的等待时间，第i个固定节点的等待时间为：

公式TW_i＝max(0,2*τ_s,i-1+TW_i-1+T_DATA+Δτ-2*τ_s,i)表示，在2*τ_s,i-1+TW_i-1+T_DATA+Δτ-2*τ_s,i，的值小于0时，第i个固定节点的等待时间取0，表示立即发送，在2*τ_s,i-1+TW_i-1+T_DATA+Δτ-2*τ_s,i的值大于0时，第i个固定节点的等待时间取上述结果的值，在上述时间后开始发送。

综上所述，第i个固定节点的发送时间为，第i个固定节点的等待时间与第i个固定节点与移动Sink节点的传播延迟之和。

S4、各固定节点收到ORDER包后提取出各自的发送时间信息，同时开启计时器，计时结束后发送自己的数据DATA包给移动Sink节点；

S5、移动Sink节点收到各固定节点的DATA包后，将数据包的接收情况信息写入ACK包，然后广播发送给各节点,完成通信。

其中，移动Sink节点在t_DEND时刻后，不再接收来自固定节点的DATA包，t_DEND时刻的计算方法为：设移动Sink节点发送ORDER包的时刻为t_ORD,最后一个发送数据的固定节点与Sink节点的传播时延为τ_s,last，最后一个发送数据的固定节点的发送等待时间为TW_last，则t_DEND＝t_ORD+TW_last+2*τ_s,last。

同时在ACK包中的具体包含的信息为，各节点的数据是否被成功接收的标志，如果节点i的数据被成功接收，则标志位为1，否则为0。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。