[发明专利]适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于信息技术领域，特别涉及适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制协议。

背景技术

近年来,基于短距离无线通信的陆地无线传感器网络的发展非常迅速，水下无线传感器网络(UWSN)是陆地传感器网络概念向水下应用的延伸。作为水声通信的一个重要应用，水下无线传感器网络对于水下环境的目标跟踪、海洋水文环境要素监测等具有重要价值，因此开展水下无线传感器网络的相关研究具有重要的应用价值。

水下无线传感器网络采用声波作为信号载体。声波在水中的传播特性与无线电在空气中的传播差异巨大，导致了陆上的媒体访问控制(MAC)协议不适用于水下无线传感器网络。水下无线传感器网络中媒体访问控制协议的设计主要受到以下3个方面的挑战：

(1)信号传播延迟大，声波在海水中的平均速度大约为1500米每秒，比无线电的传播速度低数个数量级，并且声波的传播速度受温度、盐度、压强、水流和洋流等多个环境因素的影响。

(2)通信带宽低，在常用的通信距离上带宽只有几十Kbps。

(3)水下通信所花费的能量是陆上通讯的100多倍，并且水下无线传感器网络是能量受限的网络，功耗问题始终是协议设计面临的核心问题之一。

在媒体访问控制中，为了实现信道的复用，避免数据冲突，一般采用基于握手的协议，例如RTS/CTS机制，实现信道的预留。但是，由于水下传播延迟很大，完成一次握手，需要付出很大的代价，大大的降低了信道的利用率。然而目前还没有一种很好的方法能够解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于，从降低控制包占所有通信包的比例和提高信道时空复用率这两个方向出发，提出一种适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制协议，能够降低控制数据包占所有数据包的比例，大幅减少控制数据包的花销，提高信道时空复用率，有效提高信道利用率并提高通信效率。

本发明的适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法，包括以下步骤：

步骤1，使水下无线传感器网络中所有节点时间同步，并使接收节点通过侦听周围邻居节点的通信包来建立该周围邻居节点的延迟图和通信过程表；

步骤2，该接收节点根据该延迟图和通信过程表判断发起会话是否会引起冲突，如果否，则发起会话，否则随机退避一段时间再发起会话；

步骤3，该接收节点计算该周围邻居节点的剩余带宽及给该周围邻居节点应该分配的时隙数目；

步骤4，该接收节点按照控制包的内容要求，向该周围邻居节点发送请求报文；

步骤5，该周围邻居节点根据该请求报文内容，发送数据包给该接收节点；

步骤6，该接收节点收到该数据包后，广播发送应答报文给该周围邻居节点，同时结束本次会话，并转向步骤2。

本发明的适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法，其中，步骤1中以如下方式使水下无线传感器网络中所有节点时间同步：

假设水面上的浮标节点发射功率足够大，且可以跟网络中的所有节点通信，采用集中式的时间同步算法，浮标节点周期性的广播本地时间，网络中的所有节点收到浮标节点的广播包后，把本地时间调节成跟浮标节点一致，达到整个网络时间同步。

本发明的适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法，其中，步骤3所述该周围邻居节点的剩余带宽R_i的计算公式如下：

其中，i代表某一节点，C_i是节点i能分配的最大时隙数，T_p是观测时间，T_idle是观测时间内节点i的空余时间。

本发明的适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法，其中，步骤3所述该周围邻居节点应该分配的时隙数目B'_i的计算公式如下：

B'_i＝ε(R_i/m+B_i)(ε∈[0,1])，

其中，B_i为当前节点i分配的时隙数目，m为节点i的邻居节点，ε为[0,1]区间的值，用于保证每次分配的时隙只能为总时隙数的一部分。

本发明的适用于水下无线传感器网络的媒体访问控制方法，其中，

该请求报文至少包括源地址、所有目的地址、给每个目的地址分配的发送时隙数、请求报文发送的时间和源地址和每个目的地址的估计传播延迟；

该数据包至少包括源地址、目的地址、数据包发送时间、源地址、目的地址的估计传播延迟和源地址缓冲队列的长度；