CN101287000B - 一种基于tdma的水下传感器网络介质访问控制协议 - Google Patents

Abstract

一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议用于高误码率、高延迟和低带宽的水下传感器网络。它是在传统TDMA协议的基础上改进的一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议。其具体方法为：根据每个节点所在的具体网络环境中的传播时延的不同而设置的不同的最优保护时间，以避免因时延变化而带来的冲突；利用推迟时间为每个节点分配传输时间，以解决水下传感器节点的无冲突传输问题；并把推迟时间封装入超帧以告知所有节点发送数据包时间，最终实现轻量级的同步通信。这在一定程度上降低TDMA机制下对节点精确同步的要求，减少冲突，提高信道利用率和网络吞吐量。

Description

一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议

技术领域

本发明涉及一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议。

背景技术

水声传感器网络是一门新兴的网络技术。它是一种水下无缆通信网络，通常由声连接的海底传感器节点、自主式水下运载器和作为主节点的海面站组成的水声无线通讯网络。它们被部署在特定的区域执行合作监视任务。主要应用于对水下传感器网络所覆盖的区域进行中长期的水下预警、目标检测、海洋水文环境要素监测等，其广阔的应用前景引起了学术界和军事界的高度重视。近年来水下传感器网络已成为无线传感器网络的研究热点。但是，水下环境多变和普遍的噪声使得误码率高且延迟变化剧烈，对节点实行水下同步代价很高，这些挑战都使得传统协议在水下传感器网络中并不可用。

水声信道与无线电信道相比，载波频率低，带宽窄，多途传播时延特别严重，多普勒频移的影响很大，传输速率低，水下声波的传播速率比电磁波的速率低5个数量级，传输时延长，约0.67s/km，但是为陆地传感器网络设计的介质访问控制(MAC)协议并不关心这些问题。水下传感器网络现存的MAC协议主要可分为三类：第一类是基于握手机制的，第二种是基于Aloha和CSMA的，最后一类是基于CDMA的。水下传感器网络在MAC设计方面面临着很多挑战。握手机制解决了网络中出现重复请求报文的问题，但是对于水下传感器网络，它大大增加了端到端延迟；Aloha的效率不高；TDMA对所有节点实行同步代价很高。因此对水下传感器网络来说，需要重新设计这些协议。设计水下MAC协议需要考虑两个主要问题：第一，传播时延长使得节点很难实现同步、使用载波侦听和握手机制。第二，传播时延是变化的且很容易受到各种环境因素的影响，传统的MAC协议并不关心传播时延变化的问题。

传统TDMA协议不适用于水下传感器网络，这主要有两个原因：第一，它需要整个网络中所有节点至少在微秒级达到精确时间同步，但是在水下环境中同步协议实现起来需要很高的代价；如果节点彼此不能实现同步，各数据包之间就会产生冲突，TDMA也就失去了应用价值。第二，陆地传感器网络的MAC协议(包括TDMA)常常忽略端到端的传播时延问题，但是在水下传感器网络中传播时延是不能被忽略的。水下声信道具有延迟长、多变性和敏感性的缺点，这使得为每个节点分配时间片更难并且需要重新设计超帧。简单地把TDMA应用于水下传感器网络，则时间片的长度至少应该是发送数据包的时间加上网络的最大传播时延，才能避免冲突的产生，大量的时间用来等待和避免冲突，导致通信效率很低。定义T为发送数据包的时间，D为网络中的最大传播时延。在陆地传感器网络中，端到端延迟很小，可以忽略，则如果节点总是在自己的时间片内有数据包要发送，TDMA几乎能够达到100％的信道利用率。而水下传感器网络中信道利用率仅仅是T/(T+D)。可见，这种传统的TDMA应用在传播时延很大的水下传感器网络中得到的效果并不好。

中国专利CN1829201公布了一种能量感知介质访问控制协议实现方法，它是一种基于TDMA机制的MAC协议方法。它采用基于TDMA机制的结构和提前预约的时隙分配方式，小区内的所有节点在每一帧的控制时隙醒来，用以选举后续的若干数据时隙的占有者，为了保持***效率，节点在有分组到达以后，才在下一个控制时隙发送竞争时隙的原子广播。但是它仅限于陆地传感器网络，对于传播时延很大的水下传感器网络并不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议，利用水下传感器网络的高延迟和不同链路的延迟不同的特性克服了水下节点同步代价高和因传播时延大导致信道利用率低等缺陷，通过设置推迟时间分配各个节点的传送次序，使基站能够一帧接一帧地接收数据，无冲突且等待时间很短，提高了信道利用率，使得流量最大化，并实现水下传感器网络中所有节点的轻量级同步通信，降低TDMA机制下对节点精确同步的要求，有效减少冲突，缩短等待时间。

本发明根据每个节点所在的具体网络环境中的传播时延的不同而设置的不同的最优保护时间，以避免因时延变化而带来的冲突；用推迟时间为每个节点分配传输时间，以解决水下传感器节点的无冲突传输问题；并把推迟时间封装入超帧以告知所有节点发送数据包时间，最终实现轻量级的同步通信。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的具体步骤如下：

步骤1：汇聚节点对比到它的邻居节点的距离，把这些节点按升序排列，按照节点离汇聚节点的距离远近依次编号为1，2，...，n，并且按照此排列顺序作为节点发送数据包顺序，在TDMA阶段第i个节点发送数据包的实际顺序为i；

步骤2：汇聚节点利用公式计算出最优保护时间，然后利用最优保护时间计算出每个节点的推迟时间T_defer(i)，并把此推迟时间封装入超帧；

步骤3：汇聚节点向网络中的所有节点广播超帧；

步骤4：节点收到超帧后，按照超帧中的推迟时间决定自己的发包时间，在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点。

以下对本发明做进一步说明：

1、本发明仅适用于单跳水下传感器网络，节点经过一跳就能够到达汇聚节点。在水下传感器网络中，节点之间的通信通常需要经过多跳，这就需要通过分簇以使节点之间单跳通信，每一簇内都有一个簇头节点管理簇内的节点，此簇头结点相当于单跳网络中的汇聚节点。

2、设置最优保护时间以避免因时延变化而带来的冲突

为了避免因时延变化而带来的冲突，需要在每个发送时间后加上一个保护时间T_p。由于在水下环境中，节点需要的保护时间多；同时当增加数据包的长度，即增加发送数据包的时间T，也需要更多保护时间，所以选择不同的T_p以满足不同的网络环境。汇聚节点到节点的距离通常是不相同的，根据每个节点所在的具体网络环境中的传播时延σ的不同而设置不同保护时间T_p，T_p是一个折中值，增大T_p将减小冲突的概率，但同时增大了端到端的延迟。需要找一个最优的T_p值以使网络吞吐量最大，经验证可知满足 $\mathrm{\φ}(T_p/\mathrm{\σ})=\frac{2}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{{T_p}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}(T+T_p)$ 的T_p就是最优的。按照各节点的发包顺序，各节点的最优保护时间是一个非递减的队列。

3、设置推迟时间T_defer(i)为每个节点分配传输时间，以解决水下节点无冲突传输问题

定义推迟时间T_defer(i)为节点i接收到超帧的帧尾到它开始发送自己的数据包间的时间，T为发送数据包的时间(即节点把数据包送入信道的时间)，L_i是节点i到汇聚节点的距离，s是信号传播速度；汇聚节点利用公式 $T_{\mathrm{defer}}\left(i\right)=(i-1)T+\underset{i=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_p\left(i\right)-2(L_i-L_1)/s$ (其中T_p(i)为每个节点的最优保护时间，其计算方法已在2中给出)计算每个节点的推迟时间T_defer(i)并把它封装到超帧中。节点接收到超帧，并根据超帧中的推迟时间设置自己的发包时间，在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点，汇聚节点就能无冲突、无等待时间地接收到数据包。

本发明的优点是：

(1)与现有协议相比，采用轻量级的同步通信以适应于水下环境，用推迟时间为每个节点分配传输时间，以解决水下节点的无冲突传输问题，各个节点无需校对时钟，降低了TDMA机制下对节点精确同步的要求。

(2)根据每个节点所在的具体网络环境中的传播时延的不同而设置的不同的最优保护时间，以有效减少因时延变化而带来的冲突，缩短等待时间，最大限度地提高信道利用率和网络吞吐量。

附图说明

图1单跳水下传感器网络模型图；

图2每个数据包的到达时间顺序图；

图3当加入T_p时的冲突情况图；

图4当加入T_p时数据包的到达时间顺序图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下详述：

在图1中，中间黑色节点(0)是汇聚节点，边缘白色节点(1、2、3、4、5、...)为普通传感器节点，它们组成了一个单跳的水下传感器网络，节点经过一跳就能到达汇聚节点。在实际的水下传感器网络中，节点之间的通信是多跳的，需要通过分簇以使节点之间单跳通信，每一簇内都有一个簇头节点管理簇内的数据，再运用本发明中的方法来进行节点之间的数据传输，从而达到良好的实施效果。

在图2中，在假定没有冲突的情况下，就不需要保护时间来避免冲突，汇聚节点利用公式T_defer(i)＝(i-1)T-2(L_i-L₁)/s算出推迟时间，把推迟时间封装入超帧，每个节点收到的超帧后，在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点，各个节点的数据包就会依次到达汇聚节点，即汇聚节点就能无冲突、无等待时间地接收到数据包，信道利用率能达到100％。

在图3中，在实际网络中，经常会产生冲突，需要加入保护时间来加以避免。但是当加入保护时间T_p时，数据包也会产生冲突。在实际网络中汇聚节点到节点的距离通常是不相同的。汇聚节点到节点i的延迟为：T(s，i)^*＝T(s，i)+ΔT，其中，T(s，i)是汇聚节点和节点i的平均时延，ΔT是一个服从正态分布N(0，σ)的变量。ΔT_i是节点i的数据包在时间轴上的偏移。所以邻近的两个帧i和j产生冲突的条件为ΔT_i-ΔT_j＞T_p，一旦满足此条件，前一帧的帧尾将会撞到后一帧的帧头，这样就会产生冲突。

在图4中，由于水下环境中的传输距离很大，传播时延的协方差σ也很大。在实际网络中汇聚节点到节点的距离通常是不相同的，因此它们的σ也是不相同的，而σ决定了保护时间的大小。让每个节点利用自己的σ，计算出自己的最优保护时间T_p，记为T_p(i)。当加入保护时间T_p(i)时，每个数据包的保护时间T_p(i)组成的队列是一个非递减的队列。此时推迟时间为 $T_{\mathrm{defer}}\left(i\right)=(i-1)T+\underset{i=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_p\left(i\right)-2(L_i-L_1)/s,$ 汇聚节点计算出各个节点的推迟时间，并把推迟时间封装到超帧中，广播给各个节点，各节点收到超帧，并根据超帧中的推迟时间设置自己的发包时间，在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点，会大大减小冲突产生概率。

具体实施效果：(1)解决水下节点的轻量级同步通信问题，各个节点无需校对时钟，降低了TDMA机制下对节点精确同步的要求；(2)有效减少冲突，缩短等待时间，最大限度地提高信道利用率；(3)增大了网络吞吐量，特别在传输负载高时，网络吞吐量增大；(4)简单易于部署，有利于本发明的普及。

Claims (4)

1.一种基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议的实现方法，其特征在于：

步骤1：汇聚节点对比它到每个节点的距离，把这些节点按升序排列，按照节点离汇聚节点的距离远近依次编号为1，2，...，n，并且按照此排列顺序作为节点发送数据包的顺序，在TDMA阶段第i个节点发送数据包的实际顺序为i；

步骤2：汇聚节点计算出网络中所有节点各自的最优保护时间，然后针对每个节点，利用其最优保护时间计算出推迟时间，并把此推迟时间写入超帧中；最优保护时间是一个能够使网络通信流量最大化的折中值，经验证满足公式 $\mathrm{\φ}(T_p/\mathrm{\σ})=\frac{2}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{T_p}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}(T+T_p)$ 的Tp是最优的，公式中Tp是节点的最优保护时间，T为节点发送数据包需要的时间，σ是节点到汇聚节点的信号传播时延的方差，该时延服从正态分布，T_p/σ服从标准正态分布；利用公式 $T_{\mathrm{defer}}\left(i\right)=(i-1)T+\underset{i=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_p\left(i\right)-2(L_i-L_1)/s$ 计算出推迟时间，利用推迟时间为每个节点分配传输时间，以解决水下节点的无冲突传输问题，推迟时间为节点接收到超帧帧尾的时刻到它开始发送数据包时刻的间隔时间，Li是节点i到汇聚节点的距离，s是信号传播速度；

步骤3：汇聚节点向网络中的所有节点广播超帧；

步骤4：节点收到超帧后，按照超帧中的推迟时间决定自己的发送数据包时间，在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议的实现方法，其特征在于：汇聚节点把推迟时间封装入超帧中发给各个节点以告知各个节点发送数据包的时间，各个节点在推迟时间结束时发送数据包给汇聚节点，这样各节点无需校对时钟，实现节点间的轻量级同步通信。

3.根据权利要求1所述的基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议的实现方法，其特征在于：此协议适用于单跳的网络拓扑结构，对于多跳的水下传感器网络，需要经过分簇来完成。

4.根据权利要求1所述的基于TDMA的水下传感器网络介质访问控制协议的实现方法，其特征在于：每个节点的最优保护时间是根据各节点所在的具体网络环境中的传播时延的不同而设置，在不同情况下计算得到的每个节点的最优保护时间不同。

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