CN112788701A - 一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道mac方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，包括如下步骤：步骤一、将部署网络的水域虚拟划分为多个连续的立方体区域，并将位于同一个立方体区域内的节点作为一个簇；步骤二、按照簇内节点与簇头的距离对节点进行簇内分层；步骤三、以簇头为最内层，内层节点为与其相邻的外层邻居节点进行信道预分配，并通过预分配包将预分配结果发送给对应的外层邻居节点；步骤四、外层节点对为其发送预分配包的内层节点进行反选和确认；步骤五、内层节点根据反选和确认的结果对外层节点进行信道再分配；步骤六、按照信道再分配的结果从外层节点向内层节点逐层发送数据，直到在簇头处汇集所有簇内节点收集到的数据，进行下一轮数据收集。

Description

一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法

技术领域

本发明属于水下无线通信技术领域，特别涉及一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法。

背景技术

MAC技术是协调网络中各个节点访问公共通信介质的关键技术，为无冲突的网络通信提供根本保障。MAC技术是水下无线传感器网络(UWSN)的重要技术支撑，一直是计算机科学的研究热点。

在UWSN环境中，无线电信号衰减严重，不能够适用于长距离的可靠通信，因此通常采用水声信号来代替无线电信号。与无线电信号相比，水声信号具有传播速度慢、可用带宽窄、误码率高等特性，同时水下无线传感器节点的电池能量也相对有限且不易更换。

这些特性为MAC协议的设计带来了挑战。受限于水声信道的窄带宽，数据包的发送和接收时间变长，这会增加数据包冲突的概率。当数据包冲突发生后，发送方会在接下来的一段时间后重传数据包，这对于本就拥堵的信道来说会进一步恶化信道的冲突问题，从而大大降低网络的吞吐量。

现有的MAC技术主要可以分为两类：基于竞争的MAC技术和基于调度的MAC技术。

基于竞争的MAC技术是按需申请信道，这类MAC协议中，当节点有数据需要发送时，将通过某种方式竞争信道，若竞争成功，则占用信道；若检测到冲突，则按照退避策略让出信道，等到下一个周期重新竞争信道，直到发送成功或者放弃发送为止。这类技术在网络中节点较少，数据传输量较小时比较有效，但随着节点的增多和通信量的增加，数据包冲突问题将变得严重，使网络性能下降。

基于调度的MAC技术是通过一定的约定，使每个节点周期性的访问信道，这类协议的基本原理是采用某种算法将时隙，或频带，或正交码分配给指定的节点，使得每个节点能够在约定好的时空下访问信道，实现通信。这类技术由于预先规定了网络中各节点对于信道的访问，能够应对网络中较多的通信量，但通常需要一个中心节点来负责生成调度，并且调度过程中产生的通信开销也是不可忽视的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其通过节点自成簇协商信道分配信道，使簇内的邻居节点通过“预分配-确认/反选-再分配”的交互过程，分布式的得出节点之间的通信信道和通信路径，然后在协商好的无冲突的信道上进行数据传输；从而实现在没有中心节点参与的情况下实现无冲突的数据传输，提高网络传输效率和吞吐量。

本发明的另一个目的是在多信道通信模式下，通过传输距离与发送信道的匹配，减小接收端处的总体信号衰减，提高能效。

本发明提供的技术方案为：

一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，包括如下步骤：

步骤一、将部署网络的水域虚拟划分为多个连续的立方体区域，并将位于同一个立方体区域内的节点作为一个簇；

步骤二、按照簇内节点与簇头的距离对节点进行簇内分层；

其中，所述簇头为簇内与正方体区域的中心位置距离最近的节点；

步骤三、以所述簇头为最内层，内层节点为与其相邻的外层邻居节点进行信道预分配，并通过预分配包将预分配结果发送给对应的外层邻居节点；

步骤四、外层节点对为其发送预分配包的内层节点进行反选和确认；

步骤五、内层节点根据反选和确认的结果对外层节点进行信道再分配；

步骤六、按照所述信道再分配的结果从外层节点向内层节点逐层发送数据，直到在簇头处汇集所有簇内节点收集到的数据，进行下一轮数据收集。

优选的是，在所述步骤一之前，还包括：

网络中的所有节点广播自己的信息，同时接收其它节点的广播信息，从而获取邻居信息；

其中，广播的信息包括节点ID、节点位置信息。

优选的是，在所述步骤二中，根据簇内节点到簇头的跳数进行簇内分层。

优选的是，在所述步骤三中，进行信道预分配的策略为：

s.t.f_i∈Channel_Set，d_i∈Transmission_Range；

式中，i表示第i个相邻的外层邻居节点，f_i表示节点i使用的数据信道的中心频率，d_i表示该节点自身与节点i之间的距离。

优选的是，在所述步骤四中，如果外层节点收到一个外层节点发送预分配包，外层节点回复确认；如果外层节点收到多个内层节点发送的预分配包，则从多个内层邻居节点中反选出一个。

优选的是，外层节点的反选策略S为：

其中，M表示向该外层节点发送预分配包的内层邻居节点构成的候选集合，m表示集合中的一个内层节点；B_m表示内层节点m为该外层节点分配的信道的带宽，h_0，m表示该外层节点与内层节点m的信道增益，P₀表示该外层节点的发送功率，m_Alloc表示内层节点m的预分配包，ω为环境噪声，h_i，m表示内层节点m的预分配包中的节点i与节点m的信道增益，P_i表示内层节点m的预分配包中的节点i的发送功率。

优选的是，在所述步骤五中，内层节点对向其回复确认的外层节点和反选所述内层节点的外层节点进行信道再分配。

优选的是，所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，还包括：按照更新周期，对网络状态进行更新后，循环进行步骤一至步骤六。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，通过节点自成簇协商信道分配信道，使簇内的邻居节点通过“预分配-确认/反选-再分配”的交互过程，分布式的得出节点之间的通信信道和通信路径，然后在协商好的无冲突的信道上进行数据传输；从而实现在没有中心节点参与的情况下避免冲突，提高网络传输效率和吞吐量。

本发明提供的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，在多信道通信模式下，通过传输距离与发送信道的匹配，可以减小接收端处的总体信号衰减，提高能效。

附图说明

图1为本发明所述的节点分簇分层的示意图。

图2为本发明所述的信道分配的示意图。

图3为本发明所述的数据逐层传输的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，首先，网络中的所有节点广播自己的信息，同时接收其他节点的广播，从而获得邻居信息。然后各节点根据自己的位置分簇，并得出每个簇的簇头，簇内节点根据到簇头的跳数分层。接下来，为了实现无冲突的通信，采用基于交互信道分配的逐层信道分配方法，由最内层的簇头节点开始，逐层向外为邻居节点分配它们传输使用的信道。信道分配完成后，可以开始数据传输，从最外层的节点逐层将数据传至簇头，然后由水下自主航行器(AUV)经过各簇头并收集数据。

本发明中，节点三维的部署在一定范围的水域中，具有数据收集、发送和接收的功能。采用已有的定位技术和时钟同步技术，网络中的节点是时钟同步的并且能够知晓自己的位置信息。

所述基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法的具体实施过程如下：

一、节点分簇分层，步骤如下：

第一步：节点获取邻居信息。网络中的所有节点广播自己的信息，包括节点ID、节点位置信息等，同时接收其他节点的广播消息，从而获取邻居信息。为了确保网络中的所有节点能够正确的获取所有的邻居信息，可以设置一个时间段，在这个时间段内，每个节点随机选择若干个时间进行广播，这样就保证了所有节点拥有完整且正确的邻居信息。

第二步：节点分簇。将部署网络的水域虚拟的划分为一个个连续的立方体区域，边长为a，则每个立方体区域的范围是可知的，同时每个立方体区域的中心点的位置也可以通过简单的计算得出。节点在知晓自身位置信息的前提下，能够计算得知(节点)自己所在的立方体序号，我们规定，处于同一个立方体区域的节点属于同一个簇。

第三步：簇内分层。在节点分簇完成后，距离立方体区域中心位置最近的节点成为簇头。由于节点拥有自己邻居的位置信息，通过比对自己与各邻居节点距立方体中心位置的距离，可以在互不通信的情况下选出簇头。具体来说，如果存在一个邻居节点，与立方体中心位置的距离小于该节点与立方体中心位置的距离，则该节点必定不是簇头；否则，如果与所有邻居节点相比，该节点是距立方体中心位置最近的，则该节点成为簇头。接下来根据簇中各节点到簇头的跳数，进行簇内分层。簇头作为0层节点，广播一个分层包0，收到这个分层包的节点，也就是簇头的一跳邻居节点，将自己标记为1层节点。然后由1层节点广播分层包1，收到这个分层包且未标记层的节点将自己标记为2层节点......直至簇内的所有节点完成分层。

二、逐层信道分配，步骤如下：

第一步：计算邻居节点间的距离并匹配信道。已有研究表明，水声信号的衰减与传播距离和发送频率有关，随着传播距离的增大和发送频率的增高，衰减现象也变得严重。因此，在我们的频分多信道MAC方法中，出于对整体信道增益的优化考虑，可以将发送-接收节点对所使用的信道与它们之间的距离做出匹配，使得在每个接收节点处，总体的信道增益最优。我们用传播距离与发送频率的乘积来表示信号的衰减，则信道匹配可以表示为：

s.t.f_i∈Channel_Set，d_i∈Transmission_Range；

式中，i表示第i个相邻的外层邻居节点，即第i个与某个内层节点相邻的外层邻居节点，f_i表示节点i使用的数据信道的中心频率，d_i表示自身与节点i之间的距离。

第二步：内层节点预分配。使用一种基于交互信道分配的逐层信道分配方法，从最内层节点(簇头)开始，给它的所有相邻的外层邻居节点根据距离分配信道，并将分配结果通过预分配包的形式广播发送给它们(外层邻居节点)。

第三步：外层节点确认/反选。内层节点预分配操作完成后，外层节点将收到来自它的内层邻居节点的预分配包。如果外层节点只有一个内层邻居节点，显然它只会收到一个预分配包，此时它只需要回复确认即可；如果外层节点有两个及以上的内层邻居节点，则它会收到多个预分配包，此时需要从这些内层邻居节点中反选出一个。假设某个外层节点收到了num个内层邻居节点的预分配包，这些内层邻居节点构成候选集合M＝{1，2，...，num}，集合中的每个元素代表一个内层邻居节点，那么反选策略S可描述为：

其中，m表示集合M中的一个内层节点，B_m表示节点m为该节点分配的信道的带宽，h_0，m表示该节点与节点m的信道增益，P₀表示该节点的发送功率，m_Alloc表示节点m的预分配包，ω为环境噪声，h_i，m表示节点m的预分配包中的节点i与节点m的信道增益，P_i表示节点m的预分配包中的节点i的发送功率。

反选的结果将通过反选包的形式广播告知这些内层邻居节点，在该反选包中需要加入被分配使用的信道标号。

第四步：内层节点再分配。根据确认/反选的结果，内层节点将进行最终的信道再分配。不同于预分配中为所有相邻的外层邻居节点分配信道，再分配过程中将只为向自己回复确认的节点和反选选择自己的节点分配信道。为了保证数据传输的无冲突，收到反选包的内层节点需要注意，如果反选包中声明选择的内层节点不是自己，则其中声明使用的信道将不能被自己使用。

三、数据传输，过程如下：

第一步：数据的层间发送。信道分配完成后，可以进行数据传输。数据传输过程以时隙为单位进行，每个时隙中，外层的所有节点在分配的信道上向选定的内层节点发送数据，包括自己收集到的数据以及自己从外层接收到的数据。

第二步：簇头处汇集簇内数据。数据的层间发送是按轮次进行的，每一轮中包含n个时隙，n为该簇的层数。具体来说，每一轮的发送都是从簇的最外层节点(n层)开始，将它们收集到的数据向相邻的内层节点(n-1层)发送；接下来，再由n-1层的节点在下一个时隙中，继续向相邻的内层节点(n-2层)发送自身收集到的数据以及从n层收到的数据......直到n个时隙过后，在簇头(0层)处汇集了簇内所有节点收集到的数据，接下来进行下一个轮次的数据收集。

第三步：信息更新。由于水下环境中节点具有移动性等原因，网络状态会随时间发生变化，为了应对这种变化，我们规定每经过一段时间的数据收集后，需要更新网络状态，重新进行节点分层分簇，信道分配，依据新的分配方案传输数据。

实施例

(1)节点分簇分层阶段：

对于一个水下无线传感器网络，假设网络节点的部署范围为1800m×1800m×1200m，节点随机放置在此范围内。每个节点设置初始能量为10000J，接收能耗、发送能耗、空闲能耗分别为0.75J、2J、0.008J。每个节点的传输范围为100m，数据包和控制包的大小分别为200B和20B，网络模拟时间设置为3600s。我们取立方体区域的边长a＝600m，则网络中的节点可以被划分为18个簇，每个簇大约有3-4层节点。通过简单的计算，节点可以知晓自己所处的簇，通过比对距立方体区域中心位置的距离，可以知晓自己是否为簇头.接下来从簇头开始，通过广播分层包，簇内各节点完成分层，分簇分层示意图如图1所示。

(2)信道分配阶段：

为了实现无冲突的通信，采用一种基于交互信道分配的逐层信道分配方法。首先，内层节点将信道与传输距离匹配后，为它的所有外层邻居节点分配信道，并发送预分配包，如图2所示，节点A与B是簇中的第i层节点，A发送预分配包为C、D分配信道1、2，B也发送预分配包为C、E分配信道2、1；

外层节点收到预分配包后，进行确认或反选，节点C、D、E是簇中的第i+1层节点，对于D、E来说，只收到了一个预分配包，则它们分别向节点A、B回复确认包，而C收到了来自A和B的两个预分配包，它将从二者中选择一个距离较近的回复反选包，这里假设选择了A，则C将发送反选包，声明自己选择了节点A作为接收节点，并且将使用信道1；内层节点收到确认包或反选包后，根据反选包中的信息，进行最终的信道再分配，节点A收到了D的确认和C的反选，则它的再分配决策与预分配决策保持一致，为C、D分配信道1、2；节点B收到了E的确认，并通过C的反选包获知C将与A使用信道1通信，为了保证无冲突，B不能够使用信道1，所以B的再分配决策将为E分配信道2。

(3)数据传输阶段：

按照信道分配阶段决定的传输路径和信道，节点以时隙为单位由最外层向最内层传输数据，如图3所示。在每个时隙，由外层的节点将数据发送至相邻的内层节点，直至n个时隙过后，簇头处汇集了簇中所有节点在这一轮次的时间内收集的数据。

当数据传输过程进行了规定的时间后，需要更新网络信息，重新对节点分层分簇，簇内重新分配信道，依据新的分配方案传输数据。

本发明提供的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，通过节点自成簇协商信道分配信道，使簇内的邻居节点通过“预分配-确认/反选-再分配”的交互过程，分布式的得出节点之间的通信信道和通信路径，然后在协商好的无冲突的信道上进行数据传输；从而实现在没有中心节点参与的情况下避免冲突，提高网络传输效率和吞吐量。另外，在多信道通信模式下，通过传输距离与发送信道的匹配，可以减小接收端处的总体信号衰减，提高能效。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将部署网络的水域虚拟划分为多个连续的立方体区域，并将位于同一个立方体区域内的节点作为一个簇；

步骤二、按照簇内节点与簇头的距离对节点进行簇内分层；

其中，所述簇头为簇内与正方体区域的中心位置距离最近的节点；

步骤三、以所述簇头为最内层，内层节点为与其相邻的外层邻居节点进行信道预分配，并通过预分配包将预分配结果发送给对应的外层邻居节点；

步骤四、外层节点对为其发送预分配包的内层节点进行反选和确认；

步骤五、内层节点根据反选和确认的结果对外层节点进行信道再分配；

步骤六、按照所述信道再分配的结果从外层节点向内层节点逐层发送数据，直到在簇头处汇集所有簇内节点收集到的数据，进行下一轮数据收集。

2.根据权利要求1所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，在所述步骤一之前，还包括：

网络中的所有节点广播自己的信息，同时接收其它节点的广播信息，从而获取邻居信息；

其中，广播的信息包括节点ID、节点位置信息。

3.根据权利要求2所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据簇内节点到簇头的跳数进行簇内分层。

4.根据权利要求3所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，在所述步骤三中，进行信道预分配的策略为：

s.t.f_i∈Channel_Set，d_i∈Transmission_Range；

式中，i表示第i个相邻的外层邻居节点，f_i表示节点i使用的数据信道的中心频率，d_i表示该节点自身与节点i之间的距离。

5.根据权利要求3或4所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，在所述步骤四中，如果外层节点收到一个外层节点发送预分配包，外层节点回复确认；如果外层节点收到多个内层节点发送的预分配包，则从多个内层邻居节点中反选出一个。

6.根据权利要求5所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，外层节点的反选策略S为：

其中，M表示向该外层节点发送预分配包的内层邻居节点构成的候选集合，m表示集合中的一个内层节点；B_m表示内层节点m为该外层节点分配的信道的带宽，h_0，m表示该外层节点与内层节点m的信道增益，P₀表示该外层节点的发送功率，m_Alloc表示内层节点m的预分配包，ω为环境噪声，h_i，m表示内层节点m的预分配包中的节点i与节点m的信道增益，P_i表示内层节点m的预分配包中的节点i的发送功率。

7.根据权利要求6所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，在所述步骤五中，内层节点对向其回复确认的外层节点和反选所述内层节点的外层节点进行信道再分配。

8.根据权利要求7所述的基于交互信道分配的无冲突水声多信道MAC方法，其特征在于，还包括：按照更新周期，对网络状态进行更新后，循环进行步骤一至步骤六。

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