基于双重优先级的导航传感器网络mac协议实现方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，涉及无线通信技术领域，协议中将通信服务请求区分为周期性通信请求和按需通信请求两种，分别执行基于自适应TDMA机制的周期性通信MAC子协议和基于CSMA?CA机制的按需通信MAC子协议；协议中采用了双重优先级机制，一方面基于通信服务的类型设定服务类型优先级，另一方面基于通信服务中不同阶段的数据包种类设定数据包类型优先级，通过该机制保证具有较高优先级的服务请求优先取得信道的接入权，进而实现具有不同时延或丢包要求的多种服务都获得具有QoS保证的通信。该发明适用于车辆、船舶、飞行器等载体的多媒体信息的远距QoS传输。
【专利说明】
基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法
技术领域
[0001]本发明隶属于载体自组织网络通信技术领域，尤其是涉及一种基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法。【背景技术】
[0002]导航传感器网络，即为一种以导航/定位为核心任务需求的无线通信网络，旨在通过导航平台的组网完成导航/定位、目标跟踪、多媒体信息传输等多种任务需求。具有组网平台复杂、运动范围大、实时性要求高的特点。
[0003]媒介接入控制协议MAC位于无线网络协议架构的底层，直接控制着节点数据包的发送与接收，负责协调网络中节点接入共享无线信道的时机与方式。MAC协议能否高效地使用无线信道，对保证NC-NET的服务质量和高层应用的效能发挥起着至关重要的作用。
[0004]导航传感器网络的MAC协议在设计上面临如下难题:①接入需求复杂:兼有周期性通信与按需通信请求，时延与丢包率要求多样;②以机动节点为主，拓扑变化快;③以任务型节点为主，不随组网需要而机动;④三维活动区域等。不仅涵盖了 VANET、FANET等MANET的诸多设计难题，还提出了诸多独有的技术要求。
[0005]高机动性是导航传感器网络最主要的特性之一，会对链路质量(数据延迟、丢失) 产生显著的影响，现有比较可行的技术支持有定向天线、全双工收发模式和多数据包的接收能力等，其中全双工和MPR技术虽然可以大幅缩减传输流程，降低信道争用概率，但是单天线的全双工收发和MPR技术尚处于理论研究阶段，没有实现工程应用。基于定向天线提高传输性能是目前的可用途径之一，如利用定向天线的高增益方向性波束可有效提高空间复用率、减少信道冲突与争用，并扩大传输范围，提高网络吞吐量。针对服务类型多样的问题， 先期的研究中主要通过双重优先级机制来解决，针对不同类型的服务(如数据、音频、视频等)对时延敏感度和QoS质量的要求差异，设计对应的优先级别和服务方式，从而实现不同服务的并行传输。
【发明内容】
[0006]为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种适用于导航传感器网络的基于双重优先级的MAC协议实现方法，为载体基于无线自组织网络的空间导航提供具有异构服务处理功能的接入控制协议。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，采用周期性通信MAC子协议和按需通信MAC子协议，包括如下步骤:
[0008]步骤A，网络进行初始化，节点根据载体的集群任务需要和邻居节点的位置信息形成单跳的簇群拓扑结构；同簇的节点选取距监控区域几何中心的距离较近和自身导航装备的解算精度较高的节点为簇首节点；簇首节点为簇内成员分配TDMA时序;TDMA时序按轮循环，每轮包括m个周期性发送帧Frame，对应着簇内的m个成员节点轮流进行数据更新的时间总和；
[0009]步骤B，簇群成员在各自的周期性发送帧Frame内执行周期性通信MAC子协议，完成导航信息的周期性发送，并在周期性发送帧Frame之外保持对信道信息的监听，具体为:
[0010]步骤B-1，在TDMA时序的每轮开始，簇首节点CeH全向广播公共管理数据包CM，进行簇内节点的时钟同步，并根据上一轮的簇群成员变更情况调整簇内成员的TDMA时序；
[0011]步骤B-2,簇群成员根据CM数据包内的TDMA时序安排重设各自的周期性发送帧 Frame；[0〇12]步骤B-3,簇群成员(^在各自的周期性发送帧Frame向邻节点广播周期性交互数据包PE，iG {1,2, ? ? ?，m};[0〇13]步骤B-4,不处于周期性发送帧Frame的簇群成员依次接收其他簇群成员的PE数据包，并完成如下操作:一是从PE数据包中解码出发送节点的方位、位置、信道状况指标CSI和其他导航信息;二是利用从PE数据包中解码出的信息进行导航信息融合；[〇〇14]步骤B-5，当全部簇群成员均完成PE数据包的发送后，本轮的TDMA时序执行结束； [〇〇15]步骤C，簇内成员的按需通信请求执行按需通信MAC子协议，在发送节点和目标节点的周期性发送帧之外动态嵌入到周期性通信MAC子协议中，通过设置PF校验位完成按需请求的收发操作，PF校验位由2位代码组成，具体设定为:“00”表示节点处于周期性通信的信道串听或信道空闲状态；“01”表示节点处于周期性通信的PE数据包发送状态；“10”表示节点处于按需通信的初始化或信道空闲状态；“11”表示节点处于按需通信的信道占用状态;按需通信请求动态嵌入周期性通信MAC子协议的步骤具体为:
[0016]C-1，当节点(^接收到按需通信请求时，如果节点Q的校验位为“00”且不存在其他按需通信请求，i G {1，2，...，m}，节点Q将接收并解码RTS数据包，将相关数据存储至接入时序;此后，节点匕将执行按需通信MAC子协议的流程，并将PF位设定为“10” ；
[0017]C-2,当节点匕接收到按需通信请求时，如果节点Cd^PF位为“01”且信道忙，节点G 将继续执行周期性通信MAC子协议，发送节点则在一个随机的滞后时段后竞争节点Q的信道接入权；
[0018]C-3，当节点Ci接收到按需通信请求时，如果节点Ci的PF位为“00”但是存在其他按需通信请求，则多个按需通信请求发生信道争用，并转入按需通信MAC子协议的流程，进而竞争节点匕的信道接入权；[〇〇19]C-4，如果节点匕处于按需通信MAC子协议的接入流程，且DATA数据仍在传输，则节点C^PF位为“11” ；此外，当按需通信结束后，节点C^PF位重设为“00”，则节点&转入周期性通信MAC子协议的程序。
[0020]双重优先级机制包括服务类型优先级SP和数据包类型优先级PP两种，具体为:
[0021]服务类型优先级SP由高到低具体为:周期性服务的优先级Pr1.Sl，包括节点载具导航信息和其他需要周期性发送的信息的优先级;对时延敏感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S2;对时延不敏感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S3;对时延不敏感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S4;[〇〇22] 数据包类型优先级PP由高到低具体为:DATA/ACK数据包的优先级Pr1.PI ;CTS数据包的优先级Pr1.P2;RTS数据包的优先级Pr1.P3;载波侦听数据包的优先级Pr1.P3。
[0023]当按需通信请求为簇内邻节点之间的通信时，发送节点和接收目标节点均为同一簇群的成员，按需通信MAC子协议的具体步骤为:
[0024]步骤D-1为协商阶段，发送节点在发送RTS之前，此时通信的双方已经通过PE数据包获知目标节点的位置、信道状态状况CS1、节点辨识码ID和相对方位，选择一个收发节点双方均空闲的信道;如果目标节点的PF校验位为“00”，且该节点没有同时进行的按需通信请求，则目标节点接收发送节点的RTS数据包，解码出服务类型、数据包大小、ID、发送方位和空闲概率信息，并结合目标节点的信道空闲概率形成通信对的自适应信道切换次序 ACBS，最后将该自适应信道切换次序ACBS编码在CTS数据包中，回复至发送节点；如果目标节点的PF校验位为“00”，且存在同时进行的按需通信请求，目标节点将广播一个WARN数据包，此后，所有发送节点将根据各自的SP优先级设定相应的推迟发送时间，具有最高优先级的服务请求将获得最短的推迟时间，并获得信道的最先接入权；[〇〇25]步骤E-1为数据传输阶段，发送节点首先通过步骤D-1确定的数据信道发送DATA数据包至目标节点，此后目标节点将一个ACK确认数据包回复至发送节点，并在一个SIFS时隙后完成按需通信的传输流程;在数据传输阶段，发送节点和目标节点均将PF校验位设定为 “11”，避免在数据传输过程中邻近的通信节点对选择相同的信道。
[0026]当按需通信请求为簇内成员与簇外节点间的单跳通信，发送节点和目标节点分别位于不同的簇群，但是位于直接通信范围之内，按需通信MAC子协议的具体步骤为:[〇〇27]步骤D-2为协商阶段，发送节点在发送RTS之前仅获知目标节点的ID信息；如果目标节点的PF校验位为“00”，通信对将执行与场景1相同的协商流程;如果目标节点的PF校验位为“01”或“11”，则广播一个WARN数据包，此后，所有发送节点将根据各自的服务请求的SP 优先级设定相应的推迟发送时间，具有最高优先级的服务将获得最短的推迟时间，并最先获得信道的接入权;如果发送节点在预设时间到达上限后仍然未能接收到CTS数据包，将根据自适应信道切换次序ACBS切换到下一个数据信道，并再次发送RTS数据包；[〇〇28]步骤E-2为数据传输阶段，发送节点首先通过步骤D-2确定的数据信道发送DATA数据包至目标节点，此后目标节点将一个ACK确认数据包回复至发送节点，在一个SIFS时隙后完成按需通信的传输流程；在数据传输阶段，发送节点和目标节点均将PF校验位设定为 “11”，避免在数据传输过程中邻近的通信节点对选择相同的信道。[〇〇29] TDMA时序具体为:每个周期性发送帧Frame对应着一个簇内成员的发送或接收一组数据包的时间段;周期性发送帧Frame细分为一个控制子帧和一个数据子帧;控制子帧细分为k个时隙Slot;数据子帧细分为1个时隙Slot，每个时隙Slot时长固定，可以发送或接收不多于lx字节的数据。
[0030]自适应信道切换次序ACBS具体为:由发送节点和目标节点根据各自的信道空闲概率、ID和方位的先验信息产生，便于侦测和规避网络传输中的信道冲突和通信饱和，低优先级的通信服务或低优先级的数据包在信道竞争中按照自适应信道切换次序ACBS直接进行信道切换，而无需收发附加的协商数据包；自适应信道切换次序ACBS嵌入在每个RTS和CTS 数据包中。
[0031]本发明基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法具有下列有益效果:
[0032](1)本发明的服务区分机制将无线通信中的核心服务与其他服务相区分，通过设定不同的时序分配机制保证核心服务的可靠传输;双重优先级机制为核心服务和其他服务的QoS需求确定相应的接入优先级，满足每类服务的QoS接入质量，在高负载和突发流量环境下也能表现出良好的适应性。
[0033](2)基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议虽然针对导航用无线自组织网络设计，但是所采用的双重优先级机制采用普适的技术途径，经适当调整后适用于其他大范围、动态无线自组织网络，以及多媒体无线自组织网络的MAC协议需求。【附图说明】[〇〇34]图1为本发明实施例基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议的TDMA时序结构图；
[0035]图2为本发明实施例1中按需MAC子协议的协商阶段实现流程示意图；
[0036]图3为本发明实施例1中按需MAC子协议的数据传输阶段实现流程示意图；[〇〇37]图4为本发明实施例2中仅存在周期性数据传输时MAC的吞吐量性能；[〇〇38]图5为本发明实施例2中仅存在周期性数据传输时MAC的时间延迟性能；
[0039]图6为本发明实施例2中多信道环境下按需MAC子协议的吞吐量性能；
[0040]图7为本发明实施例2中多信道环境下按需MAC子协议的时间延迟性能。【具体实施方式】
[0041]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照例图，对本发明进一步详细说明。[〇〇42] 实施例1:
[0043]本发明的实施例中空间导航用无线自组织网络包括四类通信服务，即导航信息、 音频信息、视频信息和指令信息，其中，导航信息包括所属载体的位置、速度、姿态、时间等， 由节点通过GNSS或惯性导航系统获取。针对空间导航用无线自组织网络实施例的一类基于双重优先级的MAC协议，将入网节点按照载体的集群任务需要或者根据节点的地理位置分布分为互不重叠的单跳虚拟簇，同簇节点选取距监控区域几何中心的距离较近和自身导航装备的解算精度较高的节点为簇首节点，为簇内成员分配TDMA时隙；成员在各自的时隙内完成导航信息的周期性发送，并在周期性发送时隙之外保持对信道信息的监听;簇内成员的包括音频、视频和指令的按需通信请求采用基于CSMA-CA的接入控制方式，在源节点和目标节点的周期性发送时隙之外的时隙完成按需请求的收发操作。
[0044]根据本发明实施例基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议，其服务区分机制将通信服务区分为:周期性服务和按需接入服务两大类。其中周期性服务由节点所属载体的导航信息和其他需要周期性发送的信息组成，依据TDMA时序规则由簇内成员轮流发送。 用于簇内节点的时间同步，也作为信标导航信息用于节点所属载体的协作定位、测速、定姿与导航。按需接入服务由节点按需随机产生，具体包括按需产生的音频信息、视频信息和指令信息。该按需接入服务的发送、转发与接收遵循CSMA-CA规则，由源节点在周期性发送时隙外执行发送，由转发节点或目标节点在各自的周期性发送时隙外执行转发、处理与接收。
[0045]根据本发明实施例基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议，依据双重优先级机制将导航信息、音频信息、视频信息和指令信息的服务类型优先级SP划分为:Pr1.Sl为所属载体的导航信息和其他需要周期性发送的信息;Pr1.S2为视频信息;Pr1.S3为音频信息； Pr1.S4为指令信息。四类SP优先级中Pr1.S1的SP最高，Pr1.S4的SP最低，S卩Pr1.Sl>Pr1.S2> Pr1.S3>Pr1.S4〇
[0046]根据本发明实施例基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议，数据包类型优先级(Packet Pr1rity，PP)具体设定为:Pri ? P1 为DATA/ACK数据包，Pri ? P2为CTS数据包， Pr1.P3为RTS数据包，Pr1.P4为载波侦听数据包。四类PP优先级中Pr1.P1的PP最高，Pr1.P4 的PP最低，即Pri ? Pl>Pri ? P2>Pri ? P3>Pri ? PS4。[〇〇47] 此外，服务类型优先级和数据包类型优先级通过在数据包中设置PF校验位实现。 具体为:PF校验位设置在C-frame的前端，由2位代码组成，具体设定为:“PF = 00”为周期性通信中的信道串听或信道空闲；“PF = 01”为周期性通信中的PE数据包发送；“PF=10”为按需通信中的初始化或信道空闲；“PF= 11”为按需通信中的信道占用。[〇〇48]图1为本发明实施例基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议的TDMA时序结构图。
[0049]空间导航用无线自组织网络中基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议中的通信接入控制协议分为周期性通信MAC子协议和按需通信MAC子协议，具体步骤为:
[0050]步骤A，网络进行初始化，节点根据载体的集群任务需要和邻居节点的位置信息形成单跳的簇群拓扑结构；同簇的节点选取距监控区域几何中心的距离较近和自身导航装备的解算精度较高的节点为簇首节点；簇首节点为簇内成员分配TDMA时序;TDMA时序按轮循环，每轮包括m个周期性发送帧Frame，对应着簇内的m个成员节点轮流进行数据更新的时间总和；[〇〇51]步骤B，簇群成员在各自的周期性发送帧Frame内执行周期性通信MAC子协议，完成导航信息的周期性发送，并在周期性发送帧Frame之外保持对信道信息的监听，具体为: [〇〇52]步骤B-1，在TDMA时序的每轮开始，簇首节点CCH全向广播公共管理数据包CM，进行簇内节点的时钟同步，并根据上一轮的簇群成员变更情况调整簇内成员的TDMA时序；[〇〇53]步骤B-2,簇群成员根据CM数据包内的TDMA时序安排重设各自的周期性发送帧 Frame；[〇〇54]步骤B-3,簇群成员匕在各自的周期性发送帧Frame向邻节点广播周期性交互数据包PE，iG {1,2, ? ? ?，m};[OO55]步骤B-4,不处于周期性发送帧Frame的簇群成员依次接收其他簇群成员的PE数据包，并完成如下操作:一是从PE数据包中解码出发送节点的方位、位置、信道状况指标CSI和其他导航信息;二是利用从PE数据包中解码出的信息进行导航信息融合；[〇〇56]步骤B-5，当全部簇群成员均完成PE数据包的发送后，本轮的TDMA时序执行结束； [〇〇57]步骤C，簇内成员的按需通信请求执行按需通信MAC子协议，在发送节点和目标节点的周期性发送帧之外动态嵌入到周期性通信MAC子协议中，通过设置PF校验位完成按需请求的收发操作，PF校验位由2位代码组成，具体设定为:“00”表示节点处于周期性通信的信道串听或信道空闲状态；“01”表示节点处于周期性通信的PE数据包发送状态；“10”表示节点处于按需通信的初始化或信道空闲状态；“11”表示节点处于按需通信的信道占用状态;按需通信请求动态嵌入周期性通信MAC子协议的步骤具体为:[〇〇58]C-1，当节点(^接收到按需通信请求时，如果节点Q的校验位为“00”且不存在其他按需通信请求，i G {1，2，...，m}，节点Q将接收并解码RTS数据包，将相关数据存储至接入时序;此后，节点匕将执行按需通信MAC子协议的流程，并将PF位设定为“10” ；
[0059]C-2,当节点以妾收到按需通信请求时，如果节点C^PF位为“01”且信道忙，节点G将继续执行周期性通信MAC子协议，发送节点则在一个随机的滞后时段后竞争节点Q的信道接入权；
[0060] C-3，当节点Ci接收到按需通信请求时，如果节点Ci的PF位为“00”但是存在其他按需通信请求，则多个按需通信请求发生信道争用，并转入按需通信MAC子协议的流程，进而竞争节点匕的信道接入权；
[0061] C-4，如果节点匕处于按需通信MAC子协议的接入流程，且DATA数据仍在传输，则节点C^PF位为“11” ；此外，当按需通信结束后，节点C^PF位重设为“00”，则节点&转入周期性通信MAC子协议的程序。
[0062]在本发明的一个实施例中，基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议的按需通信MAC子协议包括协商阶段和数据传输阶段两个阶段。[〇〇63]此外，在本发明的实施例中，首先在每个RTS和CTS数据包中嵌入一个自适应信道切换次序ACBS，该次序由源节点和目标节点根据各自的信道空闲概率、ID、方位等先验信息产生，用于侦测和规避网络传输中的信道冲突和通信饱和。具体用于低优先级的通信服务或低优先级的数据包在信道竞争中直接按照ACBS完成信道切换，而无需收发附加的协商数据包。
[0064]图2为根据本发明实施例的按需通信MAC子协议的协商阶段的实现流程图。按需通信MAC子协议适用于两种通信场景，场景1为簇内邻节点之间的通信，场景2为簇内成员与簇外节点间的单跳通信。如图2所示，源节点81有一个针对目标节点^的按需通信请求，节点Sl 将首先侦测信道空闲状况。若信道忙，节点Sl将推迟发送至某个信道空闲，并统计信道的空闲概率hs,:，将该概率编码至RTS数据包。[〇〇65]在场景1中，源节点81在发送RTS之前，通过周期性交互PE数据包事先获知目标节点^的051、10、方位等先验信息，因此可以选择一个节点81和^均空闲的信道发送1^5数据包。如果节点r^PF校验位为“00”，且r冲没有同时进行的按需通信请求，节点^将目标节点s^RTS数据包，解码出服务类型、数据包大小、ID、节点Sl方位、空闲概率hs>1等信息，并结合节点ri的信道空闲概率hd,i形成通信对(si，ri)的ACBS信道切换次序，最后将该ACBS编码至CTS数据包，并回复至源节点Sl。如果节点校验位为“00”，且^中存在同时进行的按需通信请求，节点n将广播一个WARN数据包，此后，所有源节点将根据各自的服务请求的优先级SP设定相应的推迟发送时间，因此最高优先级的服务将具有较短的推迟时间，而最先获得信道的接入权。[〇〇66] 在场景2中，源节点Si在发送RTS之前仅获知目标节点ri的ID信息。如果节点ri的PF 校验位为“00”，通信对(Sl，ri)将执行与场景1相同的协商流程。如果节点校验位为 “01/11”，则节点n将广播一个WARN数据包，此后，所有源节点将根据各自的服务请求的优先级SP设定相应的推迟发送时间，因此最高优先级的服务将具有较短的推迟时间，而最先获得信道的接入权。如果源节点Sl在一个时间段上限后未能接收到CTS数据包，将根据空闲概率hs,:切换到下一个数据信道，并再次发送RTS数据包。
[0067]在本发明的一个实施例中，通信对(Sl，ri)完成协商阶段后将转入数据传输阶段。
[0068]图3为根据本发明实施例的按需MAC子协议的数据传输阶段实现流程图。具体阐述了场景1和场景2的数据传输阶段的实现流程。源节点首先通过协商阶段确定的数据信道发送DATA数据包至目标节点ri，此后节点ri将回复一个ACK确认数据包至源节点Sl，进而在一个SIFS时隙后完成按需通信的传输流程。需要注意的是，在数据传输阶段，源节点和目标节点均将PF校验位设定为“11”，用于避免在数据传输过程中其他邻近的通信节点对选择相同的信道。[〇〇69] 实施例2:[〇〇7〇]使用NS-2作为模拟仿真平台，实验数据用Matlab辅助分析。仿真中采用信道吞吐量、平均分组接入时延等参数作为评价指标。验证了本发明中MAC协议(记为DDC-MAC)在情景1?2中的饱和吞吐量、平均时延、数据包到达率等性能。仿真参数分别为:节点通信距离 250km，节点传感距离500km，数据传输速率{1，2，5.5，11 }Mbps，短帧间隔SIFS 0.01ms，DCF 帧间隔DIFS 0.02ms，ACK分组发送时间0.02s，SNR阈值15dB，RTS帧长度20bytes，ACK帧长度 Mbytes，DATA数据包长度512bytes，MAC头长度34bytes，PHY头长度24bytes，射频发送功率 32dBm(全向发送)，38dBm(定向发送)，射频接收灵敏度-105dBm，CTS帧长度Mbytes，干扰阈值-74dBm。
[0071]图4和图5仿真检验了仅存在周期性数据传输且通信节点的数目不断增加时，DDC-MAC的吞吐量与时延性能。将DDC-MAC与典型的TDMA MAC协议LMAC、DMAC和典型的CSMA MAC 协议IEEE802.1 lb DCF进行了仿真对比，仿真中选用基本传输速率，S卩1Mbps，单节点投递速率为20pkt/sec。其中，图4中仿真对比了理想能量利用率下四种MAC协议的吞吐量性能。仿真中选用基本传输速率，即1Mbps，单节点投递速率为20pkt/sec。图5中仿真对比了仿真验证了理想能量利用率下四种协议的时延性能，为更清晰地对比时延的性能差异，纵坐标采用对数刻度。
[0072]图6和图7仿真检验DDC-MAC协议的1-hop吞吐量、平均时延性能(假设不同优先级的按需传输服务具有相同的发生概率)。选用两种典型的CSMA媒介接入控制协议 IEEE802.11b DCF(图中标记为802.11)、01^(:进行了对比，000?&1、000?&2和000?&3分别表示周期性发送的信息、视频信息和音频信息三类信息采用DDC-MAC协议的仿真结果;仿真环境设置为多信道，单个通信节点每个优先级的通信投递速率均为20pkt/sec，每个节点可缓存100个数据包。其中，图6仿真对比了多信道环境中各协议的吞吐量性能。其中 IEEE802.1 lb DCF与DMAC协议采用随机切换的信道选择机制，DDC-MAC采用ACBS切换机制。 图7中仿真对比了三种协议在多信道环境下的时间延迟性能。
【主权项】
1.基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于:采用周期性通信 MAC子协议和按需通信MAC子协议，包括如下步骤:步骤A，网络进行初始化，节点根据载体的集群任务需要和邻居节点的位置信息形成单 跳的簇群拓扑结构；同簇的节点选取距监控区域几何中心的距离较近和自身导航装备的解 算精度较高的节点为簇首节点;簇首节点为簇内成员分配TDMA时序;TDMA时序按轮循环，每 轮包括m个周期性发送帧Frame，对应着簇内的m个成员节点轮流进行数据更新的时间总和； 步骤B，簇群成员在各自的周期性发送帧Frame内执行周期性通信MAC子协议，完成导航 信息的周期性发送，并在周期性发送帧Frame之外保持对信道信息的监听，具体为:步骤B-1，在TDMA时序的每轮开始，簇首节点CCH全向广播公共管理数据包CM，进行簇内 节点的时钟同步，并根据上一轮的簇群成员变更情况调整簇内成员的TDMA时序；步骤B-2，簇群成员根据CM数据包内的TDMA时序安排重设各自的周期性发送帧Frame; 步骤B-3,簇群成员匕在各自的周期性发送帧Frame向邻节点广播周期性交互数据包PE， iG {1,2,...,m}；步骤B-4,不处于周期性发送帧Frame的簇群成员依次接收其他簇群成员的PE数据包， 并完成如下操作:一是从PE数据包中解码出发送节点的方位、位置、信道状况指标CSI和其 他导航信息;二是利用从PE数据包中解码出的信息进行导航信息融合；步骤B-5，当全部簇群成员均完成PE数据包的发送后，本轮的TDMA时序执行结束；步骤C，簇内成员的按需通信请求执行按需通信MAC子协议，在发送节点和目标节点的 周期性发送帧之外动态嵌入到周期性通信MAC子协议中，通过设置PF校验位完成按需请求 的收发操作，PF校验位由2位代码组成，具体设定为:“00”表示节点处于周期性通信的信道 串听或信道空闲状态；“01”表示节点处于周期性通信的PE数据包发送状态；“10”表示节点 处于按需通信的初始化或信道空闲状态；“11”表示节点处于按需通信的信道占用状态;按 需通信请求动态嵌入周期性通信MAC子协议的步骤具体为:C-1，当节点(^接收到按需通信请求时，如果节点Q的校验位为“00”且不存在其他按需 通信请求，ie {1，2,...，m}，节点Ci将接收并解码RTS数据包，将相关数据存储至接入时序； 此后，节点匕将执行按需通信MAC子协议的流程，并将PF位设定为“10” ；C-2,当节点(^接收到按需通信请求时，如果节点Cj^PF位为“01”且信道忙，节点Q将继 续执行周期性通信MAC子协议，发送节点则在一个随机的滞后时段后竞争节点(^的信道接 入权；C-3，当节点(^接收到按需通信请求时，如果节点Cj^PF位为“00”但是存在其他按需通 信请求，则多个按需通信请求发生信道争用，并转入按需通信MAC子协议的流程，进而竞争 节点匕的信道接入权；C-4，如果节点匕处于按需通信MAC子协议的接入流程，且DATA数据仍在传输，则节点匕 的PF位为“11” ；此外，当按需通信结束后，节点Cj^PF位重设为“00”，则节点&转入周期性通 信MAC子协议的程序。2.根据权利1所述的基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在 于，所述双重优先级机制包括服务类型优先级SP和数据包类型优先级PP两种，具体为:所述服务类型优先级SP由高到低具体为:周期性服务的优先级Pr1.S1，包括节点载具 导航信息和其他需要周期性发送的信息的优先级;对时延敏感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S2;对时延不敏感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S3;对时延不敏 感且对数据包丢失敏感的服务的优先级Pr1.S4;所述数据包类型优先级PP由高到低具体为:DATA/ACK数据包的优先级Pr1.PI; CTS数据 包的优先级Pr1.P2;RTS数据包的优先级Pr1.P3;载波侦听数据包的优先级Pr1.P3。3.根据权利1所述的基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在 于，当按需通信请求为簇内邻节点之间的通信时，发送节点和接收目标节点均为同一簇群 的成员，所述按需通信MAC子协议的具体步骤为:步骤D-1为协商阶段，发送节点在发送RTS之前，此时通信的双方已经通过PE数据包获 知目标节点的位置、信道状态状况CS1、节点辨识码ID和相对方位，选择一个收发节点双方 均空闲的信道;如果目标节点的PF校验位为“00”，且该节点没有同时进行的按需通信请求， 则目标节点接收发送节点的RTS数据包，解码出服务类型、数据包大小、ID、发送方位和空闲 概率信息，并结合目标节点的信道空闲概率形成通信对的自适应信道切换次序ACBS，最后 将该自适应信道切换次序ACBS编码在CTS数据包中，回复至发送节点；如果目标节点的PF校 验位为“00”，且存在同时进行的按需通信请求，目标节点将广播一个WARN数据包，此后，所 有发送节点将根据各自的SP优先级设定相应的推迟发送时间，具有最高优先级的服务请求 将获得最短的推迟时间，并获得信道的最先接入权；步骤E-1为数据传输阶段，发送节点首先通过步骤D-1确定的数据信道发送DATA数据包 至目标节点，此后目标节点将一个ACK确认数据包回复至发送节点，并在一个SIFS时隙后完 成按需通信的传输流程;在数据传输阶段，发送节点和目标节点均将PF校验位设定为“11”， 避免在数据传输过程中邻近的通信节点对选择相同的信道。4.根据权利1所述的基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在 于，当按需通信请求为簇内成员与簇外节点间的单跳通信，发送节点和目标节点分别位于 不同的簇群，但是位于直接通信范围之内，所述按需通信MAC子协议的具体步骤为:步骤D-2为协商阶段，发送节点在发送RTS之前仅获知目标节点的ID信息；如果目标节 点的PF校验位为“00”，通信对将执行与场景1相同的协商流程;如果目标节点的PF校验位为 “01”或“11”，则广播一个WARN数据包，此后，所有发送节点将根据各自的服务请求的SP优先 级设定相应的推迟发送时间，具有最高优先级的服务将获得最短的推迟时间，并最先获得 信道的接入权;如果发送节点在预设时间到达上限后仍然未能接收到CTS数据包，将根据自 适应信道切换次序ACBS切换到下一个数据信道，并再次发送RTS数据包；步骤E-2为数据传输阶段，发送节点首先通过步骤D-2确定的数据信道发送DATA数据包 至目标节点，此后目标节点将一个ACK确认数据包回复至发送节点，在一个SIFS时隙后完成 按需通信的传输流程;在数据传输阶段，发送节点和目标节点均将PF校验位设定为“11”，避 免在数据传输过程中邻近的通信节点对选择相同的信道。5.根据权利1所述的基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在 于，所述TDMA时序具体为:每个周期性发送帧Frame对应着一个用于簇内成员发送或接收一 组数据包的时间段;周期性发送帧Frame细分为一个控制子帧和一个数据子帧;控制子帧细 分为k个时隙Slot;数据子帧细分为1个时隙Slot，每个时隙Slot时长固定，可以发送或接收 不多于lx字节的数据。6.根据权利3所述的基于双重优先级的导航传感器网络MAC协议实现方法，其特征在于，所述自适应信道切换次序ACBS具体为:所述自适应信道切换次序ACBS由发送节点和目标节点根据各自的信道空闲概率、ID和 方位的先验信息产生，便于侦测和规避网络传输中的信道冲突和通信饱和，低优先级的通 信服务或低优先级的数据包在信道竞争中按照自适应信道切换次序ACBS直接进行信道切 换，而无需收发附加的协商数据包；自适应信道切换次序ACBS嵌入在每个RTS和CTS数据包 中。
【文档编号】H04W80/02GK106028459SQ201610327396
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】高超, 赵国荣, 卢建华, 潘爽, 刘涛, 万兵
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院