[发明专利]一种针对多跳水声无线传感器的RTS竞争访问控制协议的设计方法

说明书

本发明公开了一种针对多跳水声无线传感器的RTS竞争访问控制协议的设计方法。多个水下节点在划分好的时隙内工作，通过计算网络最佳容量规划控制报文的发送时机，通过一种全新的RTS竞争算法，确定各节点在多接收机制中的收发时序，规避不同发送节点之间的数据碰撞，有效缓解了水下无线传感器网络中的“暴露终端”问题，大幅提高了水声信到利用率，降低了能量开销。通过RTS竞争算法还降低了网络传播时延总和，动态调节网络拥塞，缓解了漏斗效应，提高了网络中各水下节点的使用寿命。

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络通信技术领域，具体地说是涉及一种针对多跳水声无线传感器的RTS竞争访问控制协议的设计方法。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的矿产和渔业资源，中国拥有超过300万平方公里可管辖的海洋国土，对海洋的开发需求正在日益增加。水声无线传感器网络通过多个部署于水下的水声传感器设备进行组网，将各类水质参数，诸如温度、电导率、pH值、盐度等通过独有的节点网络有效传输到陆地的基站上，是认识、开发海洋的重要一环。近年来，水声无线传感器网络被广泛应用于环境监测、海洋牧场、资源勘探、军事监控、灾害预警及港口安全防护等方面，水声无线传感器网络特有的组网自适应性和重传可靠性能让其在面对复杂多变的水下网络拓扑时仍保持较好的鲁棒性，因此得到越来越多海洋科研工作者的青睐。

与陆地无线网络不同，水声无线传感器网络往往具有时空不定性——即时间不定性加空间不定性。由此基本特性衍生出来的具体难题，诸如超长的传播时延、动态变化的水下网络拓扑、造价高昂的水下电源等使得几乎所有成熟的陆地网络协议都无法直接应用于水声无线传感器网络中。因此，水声无线传感器网络的性能通常取决于协议与具体应用环境的配适度，而如何针对不同的水下应用场景，设计出适用于具体拓扑环境的协议，是当前水下可靠通信的重要研究课题。

在水声无线传感器网络中，MAC层作为OSI五层结构中数据链路层的核心部分，主要负责分配信道资源，减少信道碰撞，降低重传损失。MAC层协议是OSI结构中的底层协议，针对不同水声无线传感器网络的环境特性和应用场景提出适用的MAC协议是设计MAC层协议的核心问题，本发明从基本的时空不定特性着手，针对动态变化的水声无线传感器网络设计出能够可靠传输的自适性MAC层协议，以缓解水声网络中的暴露终端、漏斗效应和信道利用率低等问题。

发明内容

针对由水下固定节点和移动AUV节点共同组成的动态水声传感器网络的特点及水声MAC协议设计时面临的挑战，本发明提出一种RTS竞争访问控制协议的设计方法，定义为协议RA-SFAMA-MA。该协议在经典SFAMA协议基础上，通过计算网络动态最佳容量确定ACK调度算法，用以减少动态水声网络中的暴露终端问题和信道碰撞现象。在动态ACK调度算法的基础上，进一步引入一种采用全新RTS竞争算法排序的多接收机制，实现多发多收的效果，明确了多个源节点的优先级，动态调节网络拥塞程度，降低了水声无线传感器网络的总时延长，提升了网络的各项性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对多跳水声无线传感器的RTS竞争访问控制协议的设计方法，包括以下步骤：

1)节点时间同步：

针对多跳水声无线传感器中的所有水下节点，通过点对点通信的方式对各节点的时间进行同步；

2)多跳水声无线传感器中的所有节点周期性工作，一个工作周期划分为信道预约期、统筹时序期和空闲睡眠期，

在信道预约期，所有有待发送数据的源节点分别向各自的目的节点发送RTS报文，所述的RTS报文中包括源节点地址、RTS报文发送时刻、以及待发送数据的传输时延信息；

在统筹时序期，接收到RTS报文的目的节点对所有接收到的RTS报文进行统计，采用RTS竞争法给每一个源节点分配发送时序，并以CTS报文的形式将分配好的发送时序序列号和发送时段返回各个源节点；