本發(fā)明涉及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中mac協(xié)議設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

近年來，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwateracousticsensornetworks,uasns)成為新的研究熱點(diǎn)之一。uasns的應(yīng)用推進(jìn)了對海洋環(huán)境的研究，對經(jīng)濟(jì)、科研、軍事等領(lǐng)域都具有重大意義。然而，目前海水中只能使用傳播速度較慢的聲波進(jìn)行有效通信，所以水聲通信具有長時延、低帶寬的特性。由于長時延的存在，距離目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總是較晚到達(dá)，若此時已有其他數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)會推遲轉(zhuǎn)發(fā)較晚到達(dá)的數(shù)據(jù)包，甚至不轉(zhuǎn)發(fā)。這一特性嚴(yán)重降低了水聲通信的公平性。此外，由于洋流、溫度等原因，水下環(huán)境復(fù)雜多變。距離較遠(yuǎn)的兩節(jié)點(diǎn)在通信的過程中，可能會由于信道環(huán)境突變而造成丟包，這使得水聲通信成功率較低，即可靠性較低。所以，如何提高通信的可靠性，同時又能保證公平性成為亟待解決的問題。

已有的水聲通信mac接入方法中，節(jié)點(diǎn)均為全向通信——節(jié)點(diǎn)通信范圍為球體，這使得節(jié)點(diǎn)在與一個鄰居節(jié)點(diǎn)通信時，會對多個其他鄰居節(jié)點(diǎn)造成干擾，使其無法正常通信。由于水下節(jié)點(diǎn)部署稀疏且可用的聲譜資源有限，這種通信方式嚴(yán)重降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。若為節(jié)點(diǎn)部署指向性換能器，節(jié)點(diǎn)則可以進(jìn)行指向性通信，即聲能主要集中在角度為α的球冠區(qū)域內(nèi)，α稱為波速寬度，則可有效降低節(jié)點(diǎn)間干擾，提高吞吐量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種高可靠性水聲網(wǎng)絡(luò)mac接入方法，技術(shù)方案如下：

一種水聲網(wǎng)絡(luò)mac接入方法，包括下列步驟：

1)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，以最大功率全向發(fā)送預(yù)約請求控制包rts，包含波束寬度α和自身發(fā)射功率，源節(jié)點(diǎn)輻射范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)收到rts后，計算自身相對于源節(jié)點(diǎn)的信噪比，同時由信號到達(dá)角aoa計算源節(jié)點(diǎn)相對于自身的方位角和仰角θ。

2)收到第一個rts后，目的節(jié)點(diǎn)等待時長w，在此期間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好時，目的節(jié)點(diǎn)只收到一個rts控制包，此時目的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，目的節(jié)點(diǎn)會收到來自多個節(jié)點(diǎn)的rts控制包，此時目的節(jié)點(diǎn)為每個源節(jié)點(diǎn)定義優(yōu)先級δ，信噪比越高、同一個數(shù)據(jù)包請求發(fā)送的次數(shù)越多，優(yōu)先級δ越大，目的節(jié)點(diǎn)選取δ值最大的節(jié)點(diǎn)作為通信節(jié)點(diǎn)，并全向廣播預(yù)約確認(rèn)數(shù)據(jù)包c(diǎn)ts，其中包括被選中的節(jié)點(diǎn)信息。收到cts的節(jié)點(diǎn)計算目的節(jié)點(diǎn)相對于自身的方位和信噪比后，建立信道狀態(tài)矩陣h和鄰居節(jié)點(diǎn)方位矩陣l：矩陣h中元素為信噪比，矩陣l中元素為節(jié)點(diǎn)的方位角和仰角θ。

3)未被選中的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)全向通信范圍的重疊區(qū)域稱為中繼選擇區(qū)域，中繼選擇區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過rts和cts得知某一源節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求但未被目的節(jié)點(diǎn)同意后，計算自身相對于該源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)信噪比的平均值，大于某一門限值時，該節(jié)點(diǎn)擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)，向相應(yīng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送指向性請求dr。

4)收到dr的源節(jié)點(diǎn)，在不干擾其他節(jié)點(diǎn)通信的前提下，將請求發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包指向性地發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)當(dāng)前通信結(jié)束后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。

5)目的節(jié)點(diǎn)在接收成功后全向廣播確認(rèn)數(shù)據(jù)包ack，源節(jié)點(diǎn)收到ack后，通信結(jié)束。

附圖說明

圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2是本發(fā)明流程圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種高可靠性水聲網(wǎng)絡(luò)mac接入方法：節(jié)點(diǎn)有全向通信和指向性通信兩種工作模式。其中指向性通信可通過使用部署指向性水聲換能器來實(shí)現(xiàn)。指向性換能器的發(fā)射聲能主要集中于空間某一方向，其余方向上則僅有少量聲能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，目的節(jié)點(diǎn)會收到來自多個節(jié)點(diǎn)的rts。此時目的節(jié)點(diǎn)通過計算各節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，綜合考慮信道狀態(tài)和公平性，選擇通信節(jié)點(diǎn)并回復(fù)cts。未被選擇的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給信道狀態(tài)更好的中繼節(jié)點(diǎn)，由中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，以提高網(wǎng)絡(luò)工作效率。本發(fā)明中通信時間被劃分成時隙，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包在下一個時隙開始時發(fā)送。以圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?，六個節(jié)點(diǎn)均在彼此全向輻射范圍之內(nèi)。

主要步驟如下：

1.節(jié)點(diǎn)a、b均需要與節(jié)點(diǎn)d通信時，全向廣播rts，其中包含波束寬度α和自身發(fā)射功率，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)id以及數(shù)據(jù)包請求發(fā)送的次數(shù)：nad、nbd，此時nad＝1，nbd＝1。圖中的其他節(jié)點(diǎn)收到rts后，分別計算自身相對于節(jié)點(diǎn)a、b的信噪比snrs，同時由信號到達(dá)角aoa計算節(jié)點(diǎn)a、b相對于自身的方位角和仰角θ。

2.收到第一個rts后，目的節(jié)點(diǎn)等待時長w，w＝r/v，其中r為節(jié)點(diǎn)最大通信范圍，v為聲波傳播速度。等待時長w保證目的節(jié)點(diǎn)可以接受到范圍內(nèi)全部請求通信節(jié)點(diǎn)的rts。在等待期間，目的節(jié)點(diǎn)d會收到來自節(jié)點(diǎn)a、b的兩個rts控制包。節(jié)點(diǎn)d為兩節(jié)點(diǎn)定義優(yōu)先級δ，如下：

δ＝eⁿ*snrs(db)(1)

其中n為該數(shù)據(jù)包請求發(fā)送的次數(shù)。

3.由式1可知，節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信噪比越高、同一個數(shù)據(jù)包請求發(fā)送的次數(shù)越多，優(yōu)先級δ越大。目的節(jié)點(diǎn)選取δ值最大的節(jié)點(diǎn)作為通信節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)a到節(jié)點(diǎn)d的距離更遠(yuǎn)，信號衰減更嚴(yán)重，snrsad<snrsbd，且nad＝nbd，所以δa<δb，即節(jié)點(diǎn)d選擇節(jié)點(diǎn)b作為通信節(jié)點(diǎn)并廣播cts，其中包括被選中的節(jié)點(diǎn)b的信息。收到cts后，節(jié)點(diǎn)b開始與d指向性通信，而其他節(jié)點(diǎn)則計算目的節(jié)點(diǎn)相對于自身的方位和信噪比snrd后，建立信道狀態(tài)矩陣h和鄰居節(jié)點(diǎn)方位矩陣l：矩陣h中元素為信噪比，矩陣l中元素為節(jié)點(diǎn)的方位角和仰角。

4.中繼選擇區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)c、e、f通過rts和cts得知源節(jié)點(diǎn)a發(fā)出請求但未被目的節(jié)點(diǎn)d同意，于是開始計算自身相對于a和d的信噪比的平均值：

snr＝(snrsac+snrdcd)/2(2)

由于節(jié)點(diǎn)e和f距a較遠(yuǎn)，信號衰減嚴(yán)重，求得的信噪比遠(yuǎn)小于c，此時只有c的平均信噪比滿足snr>snrth，所以節(jié)點(diǎn)c擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)。c進(jìn)一步判斷節(jié)點(diǎn)b、d是否在c指向性通信范圍內(nèi)，以二維平面為例，當(dāng)∠bca>α/2且∠dca>α/2時，c可以指向性地與a通信而不對節(jié)點(diǎn)b、d的通信造成干擾。當(dāng)b、d不在c指向性通信范圍內(nèi)時，c向a發(fā)送dr。

5.收到dr的源節(jié)點(diǎn)a，以類似于節(jié)點(diǎn)c的方式判斷與c的指向性通信是否會對節(jié)點(diǎn)b、d的通信造成干擾。在不干擾其通信的前提下，將請求發(fā)送給d的數(shù)據(jù)包指向性地發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包請求發(fā)送次數(shù)nad改為2，并在d當(dāng)前通信結(jié)束后，向d發(fā)送rts。如果此時有其他節(jié)點(diǎn)第一次向d發(fā)送rts，根據(jù)式1，nad＝2，節(jié)點(diǎn)c的優(yōu)先級更大，節(jié)點(diǎn)d選擇與c通信的可能性更高，通信的公平性得以保證。

6.目的節(jié)點(diǎn)在接收成功后全向廣播確認(rèn)數(shù)據(jù)包(ack)，源節(jié)點(diǎn)收到ack后，通信結(jié)束。