CN110049572A - 一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，属于水声通信技术领域，在CSMA协议的基础上提出了一种延迟传输调度算法，利用时间和空间重用原则，通过检测相邻节点传播延迟及其预期信息进行传输调度，采用增加并发传输的机会补偿长传播延迟，降低节点暴露冲突的可能性。本发明用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，可以显著提高整体吞吐量，有效地处理由物理位置和传播延迟引起的空间不公平性。
Description
技术领域
本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法。
背景技术
水声通信无线自组织网络广泛应用于石油和化学品泄漏监测、潜艇检测和监视、探测和观察具有广域覆盖的海洋，移动节点用于监听水下活动，并使用声学多跳路由向其他移动节点传输数据。水声通信无线自组织网络面临着长传播延迟、传输功率消耗较高、传播节点移动性的挑战。虽然声学通信技术有所进步，水中声学信号的传输速度为1500m/s，比无线电信号传输速度为3×108m/s慢5个数量级，由于传播延迟比较长，导致带宽严重受限；与地面无线电相比，水下声学调制解调器消耗大量能量，声学调制解调器发射功率将近是接收功率的100倍；另外由于复杂的水下环境，水下无线信道的不可靠性进一步加剧了数据通信。长传播延迟对网络协议的设计有很大的影响，应用于地面分组无线自组织网络的多路访问控制MAC(MultipleAccess Control)协议不能直接用于水下传感器网络，在1500m范围内，声信号的传播时间为1s，对于256字节数据包，数据速率为50kbps，数据包分组传输的时间只需要0.04s，声信号的传播延迟远远大于分组传输时间。
在多跳无线网络中，有效利用有限的网络资源，载波侦听多路访问CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)为数据流竞争提供了合理的性能和公平性，CSMA可以支持节点移动，由于移动水下网络中声信号传播延迟过长，导致了***吞吐量严重下降，由于传播延迟，载波传感器无法检测到数据传输，导致CSMA中的载波侦听无法阻止数据包冲突，从而降低了CSMA协议的性能。
(一)解决的技术问题
为了降低上述现有技术节点暴露突出、***吞吐量低的问题，提出一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，利用时间和空间重用原则，通过检测相邻节点传播延迟及其预期信息进行传输调度，采用增加并发传输的机会补偿长传播延迟，降低节点暴露冲突的可能性。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，包括以下步骤：
S1、建立节点延迟映射数据库；
S2、判断将要发射或接收的帧类型？
S3.1、帧类型是Rts发射帧，如果接收信号为Cts帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间之后发射Rts帧；如果接收信号为Ack帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，在预测Ack帧的到达时间加上Ack帧持续时间之后发射Rts帧；
S3.2、帧类型是Cts接收帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Cts帧；
S3.3、帧类型是Ack接收帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Ack帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Ack帧。
根据本发明的一实施例，所述步骤S1数据库包括每个节点的延迟映射信息，延迟映射信息包括源节点(观察到的MAC帧的发送者)、目标节点(观察到的MAC帧的目标)、时间标记(观察到的MAC帧发送的时间)、延迟(MAC帧的源和目标之间的估计传播延迟)。
根据本发明的一实施例，所述步骤S3.1预测目标节点y发送Cts帧到达源节点x的时间TCts(y)：
TCts(y)＝TRts(x)+ΔCtl+τCts(y)+Δy→x (1)
其中TRts(x)表示源节点x发送的Rts的传输时间；ΔCtl为源节点x与目标节点y两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(y)表示Cts帧处理时间；Δy→x表示目标节点y发送Cts的传输时间，
目标节点y向源节点x发送Cts持续时间ΔCts(y)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
根据本发明的一实施例，所述步骤S3.1目标节点发送的Ack的到达源节点x时间TAck(y)：
TAck(y)＝TCts(y)+ΔData+τData(x)+τAck(y)+Δy→x (3)
其中ΔData为目标节点y与源节点x两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(y)表示Ack帧处理时间；
目标节点y向源节点x发送Ack持续时间ΔAck(y)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
根据本发明的一实施例，所述步骤S3.2目标节点v发送的Cts在到达源节点u的时间TCts(v)：
TCts(v)＝TRts(u)+ΔCtl+τCts(v)+Δv→u (5)
其中TRts(v)表示目标节点v发送的Rts的传输时间；ΔCtl为目标节点u与源节点u两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(v)表示Cts帧处理时间；Δv→u表示目标节点v发送的Cts的传输时间；
目标节点v向源节点u发送Cts信号持续时间ΔCts(v)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
根据本发明的一实施例，所述节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(6)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Cts。
根据本发明的一实施例，所述步骤S3.3目标节点v发送的Ack的到达源节点u时间TAck(v)：
TAck(v)＝TCts(v)+ΔData+τData(u)+τAck(v)+Δv→u (9)
其中ΔData为源节点u和目标节点v两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(v)表示Ack帧处理时间；
目标节点v向源节点u发送Ack持续时间ΔAck(v)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
根据本发明的一实施例，所述节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(10)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Ack。
(三)有益效果
本发明的有益效果：一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，在CSMA协议的基础上提出了一种延迟传输调度算法，利用时间和空间重用原则，通过检测相邻节点传播延迟及其预期信息进行传输调度，采用增加并发传输的机会补偿长传播延迟，降低节点暴露冲突的可能性；该方法可以显著提高整体吞吐量，有效地处理由物理位置和传播延迟引起的空间不公平性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是时间重用示意图。
图2是空间重用原则示意图。
图3是本发明方法流程图。
图4是实施例流程图。
图5是线性拓扑负载数据长度为512byte下吞吐量对比曲线。
图6是线性拓扑负载数据长度为1024byte下吞吐量对比曲线。
图7是星型拓扑负载数据长度为512byte下吞吐量对比曲线。
图8是星型拓扑负载数据长度为1024byte下吞吐量对比曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
载波侦听多路访问CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)采用控制包交换机制(RTS-CTS-DATA-ACK)竞争信道使用权。带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/Collision Detection)是IEEE802.3使用的一种分布式争用型介质访问控制协议，应用于OSI7层里的数据链路层。CSMA/CD的基本原理是：所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。
时间重用原则：水声通信无线自组织网络在长传播等待时间内利用时间重用原则允许多个节点在同一竞争域内传输，通过节点非冲突传输到不同的目的地，解决暴露终端问题。图1给出了时间重用示意图。节点x1在不同的时间内与节点x2和节点x3进行通信，节点x1先向节点x2发送数据包Data1，稍后再向节点x3发送数据包Data2；节点x2接收完数据包Data1后向节点x1发送确认信号Ack1，节点x3接收完数据包Data2后向节点x1发送确认信号Ack2。上述情况使数据(Data)和确认(Ack)能够在没有碰撞的情况下传输和接收。
空间重用原则：水声通信无线自组织网络通过空间重用允许节点并发传输提高信道利用率。如图2所示，节点A与节点B进行通信，节点C与节点D进行通信，节点A在其碰撞域中获得通道的独占访问权，节点A和节点C之间存在节点暴露问题，为了避免节点暴露问题，引入节点空间重用。节点A发送Tx给节点B，节点B接收Rx信号和数据，同时节点C发送Tx给节点D，节点D接收Rx和数据。节点A和节点C可以同时通信，从而使传输介质能够在空间上重用。
水声通信无线自组织网络传播延迟相对较长，节点通信在Rts/Cts握手后，相邻节点之间的数据传输会与Rts控制帧发生碰撞。Rts等待时间大于传输帧达到最大传输范围的传播延迟和Cts等待时间大于Rts的传输时间加上两倍的最大传播延迟时间可以实现节点无碰撞传输。
结合流程图3，一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，包括以下步骤：
S1、建立节点延迟映射数据库；数据库包括每个节点的延迟映射信息，延迟映射信息包括源节点(观察到的MAC帧的发送者)、目标节点(观察到的MAC帧的目标)、时间标记(观察到的MAC帧发送的时间)、延迟(MAC帧的源和目标之间的估计传播延迟)；
S2、判断将要发射或接收的帧类型？
S3.1、帧类型是Rts发射帧，如果接收为Cts帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间之后发射Rts帧；
预测目标节点y发送Cts帧到达源节点x的时间TCts(y)
TCts(y)＝TRts(x)+ΔCtl+τCts(y)+Δy→x (1)
其中TRts(x)表示源节点x发送的Rts的传输时间；ΔCtl为源节点x与目标节点y两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(y)表示Cts帧处理时间；Δy→x表示目标节点y发送Cts的传输时间。
目标节点y向源节点x发送Cts持续时间ΔCts(y)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
如果接收信号为Ack帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，在预测Ack帧的到达时间加上Ack帧持续时间之后发射Rts帧；
目标节点y发送的Ack的到达源节点x时间TAck(y)：
TAck(y)＝TCts(y)+ΔData+τData(x)+τAck(y)+Δy→x (3)
其中ΔData为目标节点y与源节点x两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(y)表示Ack帧处理时间。
目标节点y向源节点x发送Ack持续时间ΔAck(y)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
S3.2、帧类型是Cts接收帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Cts帧；
目标节点v发送的Cts在到达源节点u的时间TCts(v)：
TCts(v)＝TRts(u)+ΔCtl+τCts(v)+Δv→u (5)
其中TRts(v)表示目标节点v发送的Rts的传输时间；ΔCtl为目标节点u与源节点u两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(v)表示Cts帧处理时间；Δv→u表示目标节点v发送的Cts的传输时间；
目标节点v向源节点u发送Cts信号持续时间ΔCts(v)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(6)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Cts。
S3.3、帧类型是Ack接收帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Ack帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Ack帧。
目标节点v发送的Ack的到达源节点u时间TAck(v)：
TAck(v)＝TCts(v)+ΔData+τData(u)+τAck(v)+Δv→u (9)
其中ΔData为源节点u和目标节点v两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(v)表示Ack帧处理时间。
目标节点v向源节点u发送Ack持续时间ΔAck(v)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(10)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Ack。
实施例
如图4所示，节点x与节点y进行通信，节点u与节点v进行通信，节点x在其碰撞域中获得通道的独占访问权，节点x和节点v之间存在节点暴露问题。本发明延迟传输调度算法(DTSA)满足以下两个条件，节点u可以向节点v传输：(1)节点不干扰：节点传输Tts和数据传输不得干扰邻节点的接收，即节点u的Rts传输不应干扰节点x对Cts和Ack接收；(2)预期不干扰：节点即将接收的Cts和Ack不得被邻节点数据传输干扰，即节点u的Cts和Ack接收不应被节点x的Data传输干扰。
本发明DTSA性能与三种CSMA协议的性能进行比较，即Slotted FAMA(S-FAMA)、DACAP和带有ACK的CS-ALOHA。S-FAMA是基于RTS/CTS握手的同步水下MAC协议，对信道介质进行时隙独占访问，确保在时隙开始之前发送的任何帧将在时隙持续时间结束之前到达目的地。DACAP是一种非同步协议，允许每个节点针对不同的节点使用不同的握手长度发送者和接收者之间的距离。具有ACK的CS-ALOHA是针对水下环境的ALOHA，其中每个节点在信道空闲时发送而不执行Rts/Cts握手过程。为了评估提出算法的性能，将吞吐量作为单位负载量的函数来衡量，吞吐量为仿真时间内控制帧的数量，单位负载量为仿真时间内数据帧的数量。
图5、图6给出了四种方法在节点为线性拓扑、传输范围为1500m、不同数据长度下吞吐量对比曲线。图5为负载数据长度为512byte下吞吐量曲线图，图6为负载数据长度为1024byte下吞吐量曲线图，通过两图对比可以得出吞吐量随着数据长度的增加而增大，本发明DTSA方法的性能要优于其他三种方法。DACAP的吞吐量接近于S-FAMA的两倍，由于S-FAMA只能一对节点进行Rts/Cts握手传输，S-FAMA的吞吐量相比较小，而DACAP可以同时采用两对节点进行Rts/Cts握手传输。CS-ALOHA利用空间重用进一步提高吞吐量，但是CS-ALOHA不能避免节点碰撞。
图7、图8给出了四种方法在节点为星型拓扑、传输范围为1500m、不同数据长度下吞吐量对比曲线，由于星型拓扑采用***4个节点向中心节点进行传输，可能会出现3次或3次以上的Rts/Cts握手传输，相对于图5、图6线性吞吐量要小一些。图7为负载数据长度为512byte下吞吐量曲线图，图8为负载数据长度为1024byte下吞吐量曲线图，从图7、图8中可以明显看出本发明DTSA方法吞吐量优于其他方法。通过两图对比可以得出S-FAMA、DACAP、DTSA三种方法的吞吐量随着数据长度的增加而增大。图8中CS-ALOHA性能不稳定，吞吐量很小是因为随着数据长度增大，超过CS-ALOHA处理上限，使得碰撞率增大，吞吐量降低。
综上所述，本发明实施例，用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，在CSMA协议的基础上提出了一种延迟传输调度算法，利用时间和空间重用原则，通过检测相邻节点传播延迟及其预期信息进行传输调度，采用增加并发传输的机会补偿长传播延迟，降低节点暴露冲突的可能性；该方法可以显著提高整体吞吐量，有效地处理由物理位置和传播延迟引起的空间不公平性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，包括以下步骤：
S1、建立节点延迟映射数据库；
S2、判断将要发射或接收的帧类型？
S3.1、帧类型是Rts发射帧，如果接收信号为Cts帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间之后发射Rts帧；如果接收信号为Ack帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，在预测Ack帧的到达时间加上Ack帧持续时间之后发射Rts帧；
S3.2、帧类型是Cts接收帧，预测Cts帧的到达时间，计算Cts帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Cts帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Cts帧；
S3.3、帧类型是Ack接收帧，预测Ack帧的到达时间，计算Ack帧持续时间，预测Data数据帧的持续时间，如果在预测Ack帧的到达时间加上Cts帧持续时间不在预测Data数据帧的持续时间范围内接收Ack帧。
2.根据权利要求1所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述步骤S1数据库包括每个节点的延迟映射信息，延迟映射信息包括源节点(观察到的MAC帧的发送者)、目标节点(观察到的MAC帧的目标)、时间标记(观察到的MAC帧发送的时间)、延迟(MAC帧的源和目标之间的估计传播延迟)。
3.根据权利要求1所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述步骤S3.1预测目标节点y发送Cts帧到达源节点x的时间TCts(y)：
TCts(y)＝TRts(x)+ΔCtl+τCts(y)+Δy→x (1)
其中TRts(x)表示源节点x发送的Rts的传输时间；ΔCtl为源节点x与目标节点y两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(y)表示Cts帧处理时间；Δy→x表示目标节点y发送Cts的传输时间，
目标节点y向源节点x发送Cts持续时间ΔCts(y)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
4.根据权利要求3所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述步骤S3.1目标节点发送的Ack的到达源节点x时间TAck(y)：
TAck(y)＝TCts(y)+ΔData+τData(x)+τAck(y)+Δy→x (3)
其中ΔData为目标节点y与源节点x两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(y)表示Ack帧处理时间；
目标节点y向源节点x发送Ack持续时间ΔAck(y)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
5.根据权利要求3或4所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述步骤S3.2目标节点v发送的Cts在到达源节点u的时间TCts(v)：
TCts(v)＝TRts(u)+ΔCtl+τCts(v)+Δv→u (5)
其中TRts(v)表示目标节点v发送的Rts的传输时间；ΔCtl为目标节点u与源节点u两节点控制包的最大传播延迟时间；τCts(v)表示Cts帧处理时间；Δv→u表示目标节点v发送的Cts的传输时间；
目标节点v向源节点u发送Cts信号持续时间ΔCts(v)：
其中，lCts表示Cts的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
6.根据权利要求5所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(6)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Cts。
7.根据权利要求5所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述步骤S3.3目标节点v发送的Ack的到达源节点u时间TAck(v)：
TAck(v)＝TCts(v)+ΔData+τData(u)+τAck(v)+Δv→u (9)
其中ΔData为源节点u和目标节点v两节点数据包最大传播延迟时间；τData表示Data数据帧处理时间；τAck(v)表示Ack帧处理时间；
目标节点v向源节点u发送Ack持续时间ΔAck(v)：
其中，lAck表示Ack的数据长度，λData表示数据包的传输速率。
8.根据权利要求7所述的一种用于水声通信无线自组织网络的延迟感知传输调度方法，其特征在于：所述节点u接收节点x发送的Data时间TData(x)：
TData(x)＝TRts(x)+2ΔCtl+τCts(y)+τData(x)+Δx→u (7)
节点x向节点u发送Data信号持续时间ΔData(x)：
当公式(10)时间范围不在公式(8)的范围中时，节点u进行无干扰接收Ack。
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Legal Events
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