专利名称：基于aloha和tdma的水声传感器网络mac层协议的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，属 于水声信号处理技术领域。
背景技术：
TDMA (Time Division Multiple Access，时分多址)，是把时间分割成周期性的 帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站发向 多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内 接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。网络吞吐量和端到端延迟是体现网络性能的基本技术指标，传统TDMA协议在网 络负载较低时，会出现某些节点可能在其时隙期间无数据可发，而其他节点又不能利用该 时隙，导致时隙的浪费，降低了网络吞吐量，增加了端到端延迟。其原因是忽略了信道的空 间复用性。ALOHA协议是指随机访问或者竞争发送协议，随机访问意味着对任何基站都无法 预计其发送的时刻，竞争发送是指所有发送的基站自由竞争信道的使用权。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是针对上述缺点，提出一种基于ALOHA和TDMA的 水声传感器网络MAC层协议的实现方法，充分利用水声通信长传播时延和信道的空间复用 性。在传统TDMA协议的基础上增加ALOHA竞争机制，并利用水声通信的的长传播延迟特点， 增加了节点在等待确认信息和数据发送失败延迟发送过程中接收数据的方法，有效提高了 网络吞吐量，降低数据的端到端延迟。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案
一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，利用信道的空间复 用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未收到任何CTS帧的其他节点可以用适用于水 声通信的ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数 据的方法，获取多个节点的信息。具体包括如下步骤 步骤A，网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息； 步骤B，节点判断时隙归属，根据时隙是否属于自己进行下一步动作； 步骤C-I，当时隙是本节点的主时隙时，若有DATA帧需要发送，先在RTS段发送RTS帧， 在CTS段收到目的节点回复的CTS帧后，在DATA段发送各DATA分帧，并等待回复的ACK帧； 步骤C-2，如果本节点在CTS段没有收到目的节点回复的CTS帧，此次预约主时隙失败， 再次在RTS段发送RTS帧，发送次数计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重 发，节点进入下一个时隙；
步骤C-3，如果本节点在ACK段收到目的节点应答的ACK帧，根据ACK帧的内容判断各DATA分帧接收成功与否，若有发送失败的DATA分帧，则重新发送该DATA分帧，发送次数为 计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；
步骤C-4，如果本节点在ACK段没有收到目的节点应答的ACK帧，则重新发送DATA帧， 发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时 隙；
步骤D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先进行侦听
D-1，若在RTS段收到发给本节点的RTS帧，则在CTS段回复CTS帧，在DATA段接收数 据后，在ACK段回复ACK帧；
D-2，若在RTS段没有收到发给本节点的RTS帧，且在CTS段没有收到任何CTS帧，则本 节点进入ALOHA竞争机制
D-2-1，当本节点有DATA帧需要发送，先随机等待一点时间以避免碰撞，发送前查看本 节点是否处于接受状态，若是，则推迟发送，直至本节点未处于接受状态，再发送DATA帧； D-2-2，当本节点处于发送状态中时，若有帧到来，本节点将不接收该帧； D-2-3-1，如果本节点在预设时间内收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发送成 功，若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙，若此时该时隙已要结 束，则进入下一个时隙；
D-2-3-2，如果本节点在在预设时间内没有收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发 送失败，则重新发送DATA帧，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不 再重发，若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙，若此时该时隙已 要结束，则进入下一个时隙。进一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议 的实现方法的步骤C-I中，本节点在其主时隙发送完DATA帧后，在等待目的节 点回复的ACK帧期间，如果又收到了其它节点的DATA帧，则判断该帧是否是在
-T^前到达本节点； 若是，则接收该帧并回复ACK帧，然后继续等待未到达的ACK帧； 若否，则不接收该帧；
其中，时刻代表ACK段的起始时刻，T^代表目的节点接收本节点的DATA帧需要的 传输时间。进一步的，前述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法的 步骤D-2中，当本节点在 时刻发送DATA帧，在等待回复的ACK帧期间，又有其他节点发 送给本节点的DATA帧到来，能够接收到来的DATA帧的条件是该DATA帧的到来时刻不能 迟于 + 2 Tpt -Τ；,，其中T^代表DATA帧的从本节点到目的节点的传播时间，T^代表目 的节点接收本节点的ACK帧需要的传输时间。本发明采用上述技术方案具有如下有益效果
传统TDMA协议没有利用信道的空间复用性，在网络负载较低时，导致时隙的浪费；本 发明利用了信道的空间复用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未与主节点握手成功 且未收到任何CTS帧的其他节点可以用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失 败延迟发送过程中增加接收数据的方法，以实现一个节点与多个节点同时通信的方法。概括起来优点如下1)利用信道的空间复用性，未与主节点握手成功且未收到任何CTS帧的节点可以在其 他节点的主时隙内用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中 增加接收数据的方法，以实现一个节点与多个节点同时通信的方法，较传统TDMA协议方法 具有更高的网络性能；
2)通过数学推导，给出了节点在等待确认信息和数据发送失败延迟发送过程中接收数 据的时间约束条件，为工程实现奠定了理论依据；
3)本方法具有较好的可实现性。
图1是本发明的流程框图。图2是本发明的帧结构框图。图3是协议拓扑结构示意图。图4是仿真采用的网络拓扑结构图。图5是三种协议下网络平均吞吐量随平均负载变化的对比。图6是三种协议下低负载时网络平均吞吐量随平均负载变化的对比。图7是三种协议下网络平均端到端延迟随平均负载变化的对比。
具体实施方案
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述
本发明针对水声传感器网络的通信特点，利用信道的空间复用性和长传播时延特性， 增加ALOHA机制竞争其他节点的主时隙，并在确认等待和数据发送失败延迟发送过程中增 加接收数据的方法，实现一个节点与多个节点同时通信。实施例1
如图1所示，本发明包括如下过程
1 .推导节点在主时隙发送数据后等待确认回复帧ACK的过程中能够接收其他节点数 据帧的时间限制；
假设节点A和节点B，节点B和节点C之间的距离设为1，单位为ι ;载体传播速度F ，单位为Β /ji ；网络的数据率为U，单位为te/S ；数据帧(DATA帧)长设为应答帧(ACK 帧)长设为￡』，帧长的单位为。在节点B的某一主时隙内，假设IR时刻为RTS段的起始时刻，t c时刻为CTS段的 起始时刻， D时刻为DATA段的起始时刻，t A时刻为ACK段的起始时刻。节点B已向节点C 发送完DATA帧，节点C回复节点B的ACK帧将在i A时刻开始发出。如果在节点B等待节点C回复的ACK帧期间又收到节点A的DATA巾贞，为保证节点 B回复给节点A的ACK帧能被节点A接收到，节点B开始发送该ACK帧的时刻不能迟于t ^ 时刻。而节点B接收节点A的DATA帧需要的传输时间7^为(不考虑帧间间隔时间)
权利要求
1.一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，其特征在于，包 括如下步骤步骤A，网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息； 步骤B，节点判断时隙归属，根据时隙是否属于自己进行下一步动作； 步骤C-I，当时隙是本节点的主时隙时，若有DATA帧需要发送，先在RTS段发送RTS帧， 在CTS段收到目的节点回复的CTS帧后，在DATA段发送各DATA分帧，并等待回复的ACK帧； 步骤C-2，如果本节点在CTS段没有收到目的节点回复的CTS帧，此次预约主时隙失败， 再次在RTS段发送RTS帧，发送次数计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重 发，节点进入下一个时隙；步骤C-3，如果本节点在ACK段收到目的节点应答的ACK帧，根据ACK帧的内容判断各 DATA分帧接收成功与否，若有发送失败的DATA分帧，则重新发送该DATA分帧，发送次数为 计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时隙；步骤C-4，如果本节点在ACK段没有收到目的节点应答的ACK帧，则重新发送DATA帧， 发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不再重发，节点进入下一个时 隙；步骤D，当时隙不是本节点的主时隙时，首先进行侦听D-1，若在RTS段收到发给本节点的RTS帧，则在CTS段回复CTS帧，在DATA段接收数 据后，在ACK段回复ACK帧；D-2，若在RTS段没有收到发给本节点的RTS帧，且在CTS段没有收到任何CTS帧，则本 节点进入ALOHA竞争机制D-2-1，当本节点有DATA帧需要发送，先随机等待一点时间以避免碰撞，发送前查看本 节点是否处于接受状态，若是，则推迟发送，直至本节点未处于接受状态，再发送DATA帧； D-2-2，当本节点处于发送状态中时，若有帧到来，本节点将不接收该帧； D-2-3-1，如果本节点在预设时间内收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发送成 功；若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙；若此时该时隙已要 结束，则进入下一个时隙；D-2-3-2，如果本节点在在预设时间内没有收到目的节点应答的ACK帧，此次DATA帧发 送失败，则重新发送DATA帧，发送次数为计数器+ 1，当计数器达到了预设门限，该数据不 再重发，若此时该时隙仍未结束且本节点还有数据要发送，则仍竞争时隙，若此时该时隙已 要结束，则进入下一个时隙。
2.根据权利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的 实现方法，其特征在于，步骤C-I中，本节点在其主时隙发送完DATA帧后，在等待目 的节点回复的ACK帧期间，如果又收到了其它节点的DATA帧，则判断该帧是否是在 。-&前到达本节点；若是，则接收该帧并回复ACK帧，然后继续等待未到达的ACK帧； 若否，则不接收该帧；其中， ,时刻代表ACK段的起始时刻，T^代表目的节点接收本节点的DATA帧需要的 传输时间。
3.根据权利要求1所述的基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法，其特征在于，步骤D-2中，当本节点在t时刻发送DATA帧，在等待回复的ACK帧期间， 又有其他节点发送给本节点的DATA帧到来，能够接收到来的DATA帧的条件是该DATA帧 的到来时刻不能迟于 + 2 Tpt -7^，其中T^代表DATA帧的从本节点到目的节点的传播 时间，Tat代表目的节点接收本节点的ACK帧需要的传输时间。
全文摘要
本发明提供一种基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议的实现方法。该方法基于传统TDMA机制，按时隙划分时间，采用半双工的通信方式，利用水声通信的长传播延时特性和信道的空间复用性，在不影响主节点发送数据的情况下，未与主节点握手成功且未收到任何CTS帧的其他节点可以用ALOHA机制竞争时隙，并在确认等待信息和数据发送失败延迟发送过程中增加接收数据的方法，以实现一个节点同时与多个节点通信，提高了网络吞吐量，同时降低了网络端到端延迟。本发明适用于水声传感器网络及其它长传播时延通信网络，易实现，具有较高的实际应用价值。
文档编号H04W80/02GK102098113SQ201110046000
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者方世良, 李启玲, 李霞, 高翔 申请人:东南大学