本发明属于水声通信领域，涉及一种基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法。
背景技术：
：由于水声信道的复杂性和多变性，水声通信具有快速时变和长时延的特点，使得设计一个实时可靠的水声通信网络成为一项挑战。在传统的水声通信网络mac层协议中，节点接入信道主要采用握手机制和随机竞争机制，首先，在希望发送数据前，为了减少节点间传输数据的冲突，需要在每次通信前建立握手机制，大大占用了信道时间，减少了信道利用率；其次，节点接入信道时没有考虑节点的实时动态和接入的公平性，在一定程度上会造成网络延迟和阻塞，无法满足服务质量(qualityofservice,qos)的要求；最后，各个节点都在工作状态，系统功耗较大。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法，合理设计节点传输数据的机制，结合节点的实时动态，基于接入公平性等原则，在保证节点不冲突的情况下降低传输数据前握手占用的时间，实现低时延、高吞吐量的水声通信网络，满足qos的要求。基于全局调度的机制，而非随机竞争机制，不仅减少节点握手时间，而且将节点的实时动态和网络中节点接入的公平性加入到协议的设计中，大大提高了节点握手效率，增加网络吞吐量，实现低时延、高吞吐量的水声通信网络。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法，该方法包括以下步骤：(1)水声通信网络中的所有发送节点都发送初始传输包(initialtransmissionpacket,itp)给接收节点，包中包括第i个发送节点第j轮等待传输的包的数目wi,j和当前发送时刻接收节点接收到这些itp包之后，记录下接收到包的接收时刻根据wi,j、和建立全局调度表；(2)接收节点收到所有发送节点的信息后，根据全局调度表中的信息，通过在优化权值时延优先(modifiedlargestweighteddelayfist,m-lwdf)算法中增加第i个节点的排队包数在所有发送节点的排队包数中所占的比例，得到每个发送节点的发送优先级，根据这些优先级对发送节点进行排序；之后对排序后的发送节点进行时序地计算其发送数据时需要占用信道的时间，得到发送节点i在第j轮发送数据前的等待时间δτi,j；然后将这些发送数据前的等待时间存储到下一轮发送数据时刻表中，通过全局调度回复包(globalschedulingacknowlegement,gsack)发送给所有的发送节点；(3)发送节点接收到gsack包之后，在gsack包中的发送数据时刻表找到自己对应的等待时间，退避等待δτi,j时间后再发送data包，同时将下一轮等待传输的包的数目wi,j和当前发送时刻存储到data包包头中；(4)接收节点接收到所有发送节点发送的data包后，首先存储全局调度表中的信息，之后根据改进的m-ldwf算法对所有的发送节点计算发送优先级，同时将没有成功接收到data包的发送节点进行重传标记，以便于通知该节点下次重传data包，根据发送优先级信息和节点发送数据需要占用信道的时间信息进一步建立下一轮发送数据时刻表，将存储有下一轮发送数据时刻表信息的gsack包发送给所有的发送节点。进一步地，所述步骤(1)中全局调度表的具体构建方法如下：全局调度表包括每个发送节点的序号i、第j轮以及第j-1轮通信中的发送节点i的等待传输的包数目wi,j和wi,j-1，发送时刻和以及接收时刻和每个发送节点都向接收节点发送itp包，包中包括wi,j和接收节点接收到第i个发送节点发送的itp包之后，将接收到itp包的时刻记录下来记为之后将wi,j、存储到全局调度表中，直到接收完所有发送节点的itp包；全局调度表具体如下：表1全局调度表进一步地，所述步骤(2)中优化的m-lwdf算法如下：m-lwdf算法是一种基于优化权值时延有限的全局调度算法，能够忍受水下信道声传播的长时延特性；它能够在瞬时的信道质量(如传播时延)和包的排队时延之间进行权衡，计算出各个节点的优先级，第i个节点的优先级计算方法如下：其中，i表示节点i；j表示第j轮的调度；p表示参数的优先级；δ表示最大丢包率的qos参数；r表示最大数据率，和信道质量有关；λ是平均吞吐量的估计，用来保证通信的公平性；d表示包头的等待时延；t表示最大容忍时延；考虑到对于每个发送节点来说，即将到来的包的数目是波动的，我们增加了一个参数vi[j]来评估第i个节点的排队包数在所有发送节点的排队包数中所占的比例，以保证节点的公平性；vi[j]可表示为：si[j]指的是第i个节点第j轮排队的包数，包括上轮中等待的包数wi,j-1加上预测的即将到来的包数，n为发送节点总数，因此优化的m-lwdf算法可表示为：进一步地，所述步骤(3)中发送节点i在第j轮发送数据前的等待时间δτi,j的计算方法如下：(a)j＝1时，即在第一轮的时候，由于是随机接入，因此δτi,j即为随机退避的时间；(b)j>1时，δτi,j为优先级队列p中，排在第i个节点前的节点a的δτa,j加上第j-1轮中节点a的传播时延(即为接收节点接收到包的时刻tda,j-1减去发送节点发送包的时刻)减去包长度l，即为而排在队首的节点b的τ为所有发送节点的最大传播时延，以保证所有的节点都收到gsack之后再发送data包，保证时间同步。进一步地，下一轮发送数据时刻表的具体构建方法如下：下一轮发送数据时刻表包括发送节点序号i、第j轮需要等待的时间δτi,j以及是否重传标记ai；ai表示节点i是否需要重传，需要重传时记为1，表示接收节点未能成功接收到该发送节点的包，需要重传该包，否则记为0，表示接收节点已经成功接收到该发送节点的包，不需要重传；当接收节点计算出所有发送节点的优先级时，假设优先级队列为q[i](i＝1,2,…n)，总共n个发送节点，根据节点优先级的先后计算出第i个节点下一轮发送data包需要等待的时间δτi,j；表2下一轮发送数据时刻表发送节点i第j轮需要等待的时间是否重传1δτ1,ja12δτ2,ja23δτ3,ja3………进一步地，所述水声通信网络包含一个接收节点和多个发送节点，且网络中所有的节点都处于互相通信范围之内。本发明的有益效果是：1、基于全局调度的机制，而非随机竞争机制，在保证节点不冲突的情况下降低传输数据前发送节点和接收节点建立握手占用的时间，提高了节点的握手效率，减少了节点的碰撞，从而减少了网络时延，提高网络的吞吐量。2、协议的设计中，采用全局调度的机制，大大减少了节点握手次数，从而减少了网络时延，提高了网络的吞吐量。3、考虑到节点的实时动态性和接入公平性等原则，对节点接入信道的时间进行调度，能够实现低时延、高吞吐量的水声通信网络，满足qos的要求。附图说明图1是网络拓扑结构图。图2是一般基于握手的mac协议时序流程图；图3是基于全局调度的自适应冲突避免实时mac协议的时序流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。图2所示的是一般基于握手的mac协议时序流程图。主要内容为：当发送节点有数据进行发送时，需要先向接收节点发送一个rts包。接收节点0收到发送节点1的rts包之后，向发送节点1回复cts包，发送节点1接收到cts包，表明握手成功，开始发送data数据包。而与此同时，所有通信范围内的其他发送节点都能收到cts包，得到现在发送节点1和接收节点0正在通信的信息，进入退避状态，等待此次信息传输完毕。接收节点0接收到发送节点1的data数据包之后，判断数据包是否正确接收，若数据接收正确，则向发送节点1回复ack包，若数据接收错误，则向发送节点1回复nack包。同时，其他节点也都接收到ack/nack包，此次信息传输完毕。进入下一轮的收发数据状态。由于水声通信的长时延特性，在发送rts,cts包握手的过程中，耗时较长，大大降低了信道的吞吐量和信道利用率。因此为了减少节点间的握手过程，同时避免节点间的冲突，本发明提出了一种基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法。该方法不仅减少了信道间的握手频率，同时考虑到节点的公平性和qos要求，实现节点的全局调度传输，提高了信道利用率，减少了网络的平均时延，提高水声通信网络的质量。本发明使用的网络拓扑图如图1所示，包含一个接收节点，多个发送节点，且网络中的所有节点都处于互相通信的范围内。图3是基于全局调度的自适应冲突避免实时mac协议的时序流程图。第0轮为初始化通信，所有的发送节点向接收节点发送itp包，其中包括等待包的数目wi0和当前发送时刻第一轮通信时，接收节点0接收到了所有发送节点的itp包信息，存放在全局调度表中，应用改进的m-lwdf算法来计算所有发送节点的优先级wi0。之后根据发送优先级计算每个发送节点在下一轮发送数据时需要等待的时间δτij，存放在下一轮发送数据时刻表中。接收节点0将下一轮发送数据时刻表储存在gsack包中，并将gsack包发送给所有的发送节点，当发送节点接收到接收节点的数据时，按照gsack包中的下一轮发送数据时刻表，寻找到自己需要等待的时间，进行退避直到能发送data包的时刻。data包包头中包括等待包的数目wij和当前发送时刻所有发送节点时序地发送data包之后，本轮通信结束。第二轮通信时，接收节点0收到所有发送节点发送的数据包之后，判断接收到的数据包是否正确，如果正确就在下一轮发送数据时刻表中的是否重传一栏记为0，否则记为1。之后根据全局调度表计算各个发送节点的优先级，进而计算下一轮数据发送时刻表，将发送时刻表存储在gsack中，发送给各个发送节点。当发送节点接收到gsack信息中，按照下一轮发送时刻表中的等待时延和是否重传时序地发送data包。其他轮通信和第二轮通信一样，依次递推，直到所有发送节点的数据传输完毕。本发明提出的基于全局调度的自适应冲突避免媒介访问控制协议在一般的握手mac协议的基础上大大减少了握手的次数，从而减少了平均时延，增加网络吞吐量，同时在协议的设计中还考虑到节点的实时状态和网络中节点接入的公平性，实现高效的水声通信网络。当前第1页12