一种适用于AUV的UWSNs介质访问控制方法

一种适用于auv的uwsns介质访问控制方法
技术领域
1.本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种适用于auv的uwsns介质访问控制方法。


背景技术：

2.地球表面百分之七十以上被蓝色的海洋所覆盖，更应该称为“水球”。中国是陆地大国，同时也是一个海洋大国，海洋面积居世界前列。一方面，我国的海上石油、天然气资源，潮汐能/风能资源，渔业资源等海洋资源丰富；另一方面，海洋安全是国家安全的重要组成部分与重要保证。因此，有效地开发和保护海洋资源、维护海洋安全具有很高的经济价值和战略意义。
3.在众多新兴的海洋科技领域中，水下传感器网络因近年来在水体污染监控、水下资源勘探、海洋地理气象数据收集、地震/海啸灾难预防、国防安全领域等方面的应用受到日益广泛的关注。例如，在海洋地理数据收集方面，水下无线传感器网络(underwater wireless sensor networks，简称为uwsns)利用水面、水下布放的传感器，协作采集三维海洋地理数据。因此，该技术对沿海地区水文气象数据采集，灾害灾难预报方面有着重要意义。
4.自治式水下航行器(简称为auv)是目前水下移动组网观测比较成熟的几类平台。其中，auv具有活动范围大、无脐带纠缠、不需要庞大水面支持系统、运行和维修费用低等优点，是一种理想的测量仪器平台，逐步成为海洋观察和探测的重要手段。基于auv的水下移动无线传感器网络扩大了传统水下传感器网络对环境的监控范围，提高了网络对海洋物理现象的跟踪和探测能力。
5.mac协议处于uwsns的数据链路层部分，主要负责完成将节点接入到信道之中。并为其分配信道资源，保证数据的可靠传输工作，其性能优劣对uwsns的影响巨大。由于在不同环境中的应用需求各不相同，mac协议设计的方向也不同。
6.在uwsns中应着重使用碰撞率低、能耗少、误码率低等mac协议。现如今根据信道的占用方式，mac协议主要可以分为三类——基于固定分配式的mac协议、基于竞争式的mac协议、混合式的mac协议。基于固定分配式的mac协议即通过某些规则预先把信道分配给有数据传输需要的节点使用，避免了因为节点间进行信道竞争而造成的数据传输失败，提高了数据传输效率。典型的固定分配式mac协议有时分多址访问协议(tdma)、频分多址访问协议(fdma)、码分多址访问协议(cdma)。基于竞争式的mac协议是节点通过竞争来动态地获得在信道中进行数据传输的能力，若检测到数据冲突则先退避一段时间之后再次对信道进行竞争，这种方法能够很好地处理突发数据、适应网络拓扑地变化，且不需要时间保持同步。但当节点承担地传输任务较重时，会难以避免数据碰撞，导致数据传输失败。典型的竞争式mac协议有随机竞争(aloha)协议、载波监听多址(csma)协议、时隙aloha(slotted-aloha)协议、冲突避免aloha(aloha-ca)协议、基于时隙的csma(slotted-csma)协议、冲突避免多址接入(maca)协议、基于数据流多址接入(fama)协议、时隙fama协议等。混合式mac协议主
要有upmac协议，该协议通过对网络负载进行领活调控来适应不同的网络情况，在网络负载较低时使用夹带(piggyback)技术来减少控制包的使用，缩短了网络的往返延迟，sd-tdma协议将信道划分为一个个超帧，通过预约信道动态地调整超帧的长度，并且通过在数据组发送结束后统一发送ack帧缩短了数据传输周期，提高了信道利用率。
7.在本发明中的场景为auv与无线传感器并存的uwsns，并且各个节点采集的数据类型各不相同，在同一时间段有些无线传感器采集的数据是常规的海洋生态数据，有些无线传感器采集的数据是特殊物种的数据，有些无线传感器采集的数据是海洋资源等重要数据，另外对于auv因移动消耗大量能耗并需在移动出接收节点数据传输范围外将数据成功传输，因此auv采集的数据需尽快成功传输。然而目前对于数据优先级优先发送的场景还没有有效解决，因此需要科研人员重视并致力于这方面的研究，以期在数据传输过程中可以使得能耗低、碰撞少的同时可以将高优先级的数据优先发送。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本发明的目的是在于提供一种适用于auv的uwsns介质访问控制方法，在数据传输过程中使得能耗低、碰撞少的同时，将高优先级的数据先发送。
10.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
11.一种适用于auv的uwsns介质访问控制方法，包括：
12.step1、针对uwsns中信道争用导致的数据碰撞使得重传数据产生额外能耗的问题，使用uw-req、uw-rep以及uw-ack广播帧控制请求信道的节点使用信道；
13.step2、针对uwsns中长传播延迟导致的时空不确定性使得auv与无线传感器节点采集的紧急重要的数据无法尽早传输问题，将占用信道的节点数据优先级建模为有限状态离散时间马尔可夫链，构建多种类型的数据帧，对不同优先级帧竞争信道进行优先级处理。
14.作为优选，使用uw-req、uw-rep、uw-ack广播帧控制请求信道的节点使用信道包括以下步骤：
15.step1.1：发送节点竞争信道时发送uw-req帧，向接收节点请求信道占用发送数据；
16.step1.2：接收节点在收到第一个uw-req时，延迟发送uw-rep，延迟的时间定义为uw-rep sd，在这段时间内接收节点会持续接收竞争节点发送的uw-req；
17.step1.3：接收节点在uw-rep sd后根据接收到各个uw-req的数据类别与发送时间确定占用信道的节点，并返回uw-rep给周围节点告知占用信道的节点；uw-rep sd定义为2pd
max-pd
first
2t
contr
，pd
max
为最大传播时延，pd
first
为接收节点接收到的第一个uw-req帧的传播延迟，t
contr
为控制帧传播时延；
18.step1.4：接收节点周围的节点接收到uw-rep帧解析占用信道的节点后，如若发现自身占用信道则发送数据给接收节点；若发现不是自身占用信道则不发送数据给接收节点以免发生数据碰撞，等待下次争用时刻；
19.step1.5：接收节点接收完数据并广播uw-ack帧告诉发送节点已经成功接收节点，其他节点也可以重新竞争信道；
20.重复进行步骤step1.1至step1.5。
21.作为优选，将占用信道的节点数据优先级建模为有限状态离散时间马尔可夫链，构建多种类型的数据帧，对不同优先级帧竞争信道进行优先级处理包括以下步骤：
22.step2.1：在无线传感器节点采集数据后定义其数据优先级，默认auv采集传递的数据为最高优先级 1，并在请求信道的uw-req帧中携带发送时间与优先级类别；
23.step2.2：假定无线传感器采集的数据共有k种优先的数据，即数据类型s＝{1,2,3,...,k)，k值越大则表明竞争的优先级越高；将占用信道的节点数据优先级建模为无监督学习中的有限状态离散时间马尔可夫链，假设节点采集的这k个类别的数据概率分别为{p1p2,p3，
…
pk}，设马尔可夫链转移概率p
ij
，该转移概率表示的是t-1时刻成功占用信道数据优先级从i类到t时刻占用信道数据优先级为j类别的概率；
24.step2.3：接收节点在如step1.2中接收到多个uw-req后，分析各uw-req中的优先级类别与发送时间，选择持有优先级类别最高帧的节点占用信道发送数据，若有多个节点发送数据优先级类别相同，则发送时间最早的节点占用信道，确定好发送节点后发送uw-rep；
25.step2.4：各节点接收到接收节点返回的uw-rep后，确定是否是自己占有信道，若是自己占用信道则发送数据，若不是自己占用信道则等待uw-ack广播帧下一争用信道时刻根据马尔可夫链转移概率确定是否竞争信道，若转移概率p
ij
发生则竞争信道，否则不竞争信道，针对auv转发的数据类别定义为k 1，竞争概率为1，即必定竞争信道，接收节点接收到auv的请求帧则必定选择auv为占用信道的节点。
26.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的适用于auv的uwsns介质访问控制方法，具有较低数据碰撞率和较低能耗，并且可以实现优先发送高优先级数据的uwsns介质访问控制方法，无需经过大范围的变更就可以应用在auv与水下无线传感器共同组成的uwsns的介质访问控制算法中，效果理想，应用前景看好。
附图说明
27.图1是本发明适用于auv的uwsns介质访问控制方法的流程示意图；
28.图2是本发明设计的uw-req帧的格式；
29.图3是本发明设计的uw-rep帧的格式；
30.图4是本发明设计的uw-ack帧的格式；
31.图5是本发明中争用信道时uwsns请求-响应-数据传输-确认的过程；
32.图6是本发明中争用信道时uwsns请求-响应-数据传输-确认的过程；
33.图7是本发明中auv参与竞争的uwsns请求-响应-数据传输-确认的过程；
34.图8是本发明中使用的无监督学习中的有限状态离散时间马尔可夫链状态转移示意图；
35.图9是本发明中auv以及无线传感器根据无监督学习中的有限状态离散时间马尔可夫链算法随机竞争信道的流程图；
具体实施方式
36.下面对本发明专利的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本
发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域所属的技术人员在没有做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。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域所属的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.参照附图1-9，本发明的适用于auv的uwsns介质访问控制方法，首先针对uwsns存在的信道争用导致的数据碰撞使得重传数据产生额外能耗的问题，采用控制帧uw-req、uw-rep、uw-ack控制请求信道的节点使用信道；针对uwsns中长传播延迟导致的时空的不确定性使得auv与无线传感器节点采集的紧急重要的数据无法尽早传输问题，本发明将占用信道的节点数据优先级建模为无监督机器学习中的有限状态离散时间马尔可夫链算法，根据数据优先级构建多种优先级的uw-req帧，接收节点根据uw-rep sd时间内接收到的uw-req选取出优先级最高的数据作为占用信道的节点并返回即将占用信道优先级的信息，竞争信道的节点查看uw-rep判断是否占用信道，若占用则发送数据，若不占用则等待接收到ack帧后根据竞争规则竞争信道。竞争规则为根据上一次占用信道数据的优先级，计算自身预转发数据占用信道的转移概率，若p
ij
发生则竞争信道，若p
ij
不发生则继续等待下一次ack竞争信道。
40.具体的，本发明提供一种适用于auv的uwsns介质访问控制方法，包括下列几个组成部分：
41.(1)使用控制帧控制节点使用信道部分：本发明设计uw-req、uw-rep、uw-ack广播帧控制节点使用信道，所有节点预使用信道时必须先发送uw-req帧，当接收节点回复uw-rep后解析该帧判断是否占用信道，若占用则发送数据，若不占用则等待ack帧后重新竞争信道，接收节点在接收完毕数据后广播ack帧，告诉周围节点已经接收完数据可以重新发送uw-req竞争信道。
42.(2)所有无线传感器节点采集的数据一共有k种类别的数据，假设节点采集的这k个类别的数据概率分别为{p1，p2，pi，
…
pk}，i的值越大则表明优先级越高，k类型的数据为无线传感器节点采集的最高优先级的数据。
43.(3)根据无线传感器节点采集的数据类型可以计算出占用信道的数据优先级，uw-rep sd定义为2pd
max-pd
first
2t
contr
，pd
max
为最大传播时延，pd
first
为接收节点接收到的第一个uw-req帧的传播延迟，t
contr
为控制帧传播时延，在uw-rep sd中假设接收节点共接收到n个节点发送的uw-req，则在uw-rep sd后的t时刻接收节点选择出占用信道节点的优先级为概率分布为以下公式，表示在uw-rep sd时间内选出占用信道的节点数据类型为j，竞争过程中共有i个j优先级数据的
[0044][0045][0046]
(4)由上述公式可以得出在t时刻占用接收节点信道的节点概率与竞争节点数n和数据优先级类型k数量有关。当接收节点返回uw-rep帧后，周围节点可以计算出下一竞争时刻竞争节点的发送数据的类别概率，于此判断自己能否成功竞争到信道，在所有竞争节点计算过程中差找转移矩阵就可以得出下一竞争时刻转移成功的概率，转移概率矩阵p如以下矩阵。当p
ij
发生时则数据类型j的节点发送数据，若1-p
ij
发生时则该节点继续保持数据在下一次竞争时刻计算是否竞争信道。
[0047][0048]
(5)根据以上公式可以计算出各个优先级的数据会根据上一次竞争信道的结果判断。此时设计一种特殊情况，即auv进入uwsns竞争信道时，设定auv竞争的优先级为k 1，并将转移概率定义为恒定值1，即auv必定竞争信道，在auv发送的uw-req成功传输至接收节点处，接收节点必定选择auv为占有信道的终端。除此以外，其他节点接收到k 1的优先级数据占用信道时，按照最近一次非k 1优先级数据的优先级类型在下一次竞争时刻按照转移概率计算是否竞争信道。
[0049]
在本实施例中，本发明设计的uw-req帧参见图2，该帧作为请求控制帧向接收节点请求占用信道。在数据帧中frame control域包含了协议版本，功率控制，保护阵，后续分片指示等字段，而在uw-req帧subtype类型设置为1100代表uw-req帧，接收节点接收到该帧则直到发送节点向自己请求占用信道；duration即持续时间：uw-req帧发送者必须计算uw-req帧结束后发送数据所需要的时间，计算结果会放置在duration字段，该字段单位为微
秒，如果uw-req计算结果不是整数微秒，则会进行自动修正。ra与ta分别是接收节点和发送节点的sta地址；fcs为帧校验和，主要检查帧的完整性；timing tag是指请求信道时的时间，当数据优先级相同时根据请求信道时间作为判断占用信道的条件；class是指预备占用信道后发送的数据优先级类别。
[0050]
本发明设计的uw-rep帧参见图3，该帧作为回复控制帧向各请求节点告知竞争成功的节点占用信道。与uw-req帧前几个字段主要不同的是frame control的subtype类型设置为1101代表uw-rep帧。
[0051]
本发明设计的uw-ack广播帧参见图4，该帧在成功接收到发送节点发送的最后一个分组之后广播uw-ack广播帧告知周围节点自己已经接收完毕数据，其他节点可以进行新的一轮竞争信道过程；在uw-ack广播帧中frame control的subtype类型设置为1110；同时uw-ack广播中携带着刚刚成功接收数据的优先级类别，为周围节点计算竞争信道概率提供支持。
[0052]
本发明uwsns请求-响应-数据传输-确认的过程参见图5与图6，具体过程为：第一个节点向接收节点发送uw-req帧向其请求争用信道，这时接收节点进入uw-rep sd过程，在此时间内接收节点持续接收周围节点发送的uw-req帧，在uw-rep sd结束后接收节点根据此阶段内接收到的所有uw-req帧的数据优先级类别选择出最高优先级的类别(若有多个uw-req中数据优先级相同则选择最早请求的节点)作为占用信道的节点；随后各请求节点解析uw-rep帧，若该帧显示自己为占用信道的节点则发送数据，若不是则不能发送数据直到接收到uw-ack帧；发送节点向接收节点发送数据直到最后一个分组数据包接收后接收节点根据广播周围节点一个uw-ack广播帧告诉周围节点可以再次竞争该信道。
[0053]
本发明中auv参与竞争的uwsns请求-响应-数据传输-确认的过程参见图7。该过程与图5一个明显不同的是，auv发送的数据为最高优先级的数据，因此在按照图5过程竞争过程中，接收节点一旦接收到auv竞争信道的uw-req帧后，必定会选择auv为占用信道的节点。
[0054]
本发明中使用的无监督学习中的有限状态离散时间马尔可夫链状态转移示意图参见图8。假定无线传感器采集的数据共有k种类别的数据，即数据类型s＝{1，2，i，...，k}，k值越大则表明竞争的优先级越高。将该问题建模为有限状态离散时间马尔可夫链，假设节点采集的这k个类别的数据概率分别为{p1，p2，pi，
…
pk}，即每个节点采集优先级1的数据概率为p1、采集优先级2的数据概率为p2、采集优先级i的数据概率为pi、采集优先级k的数据概率为pk。设马尔可夫链转移概率p
ij
，设根据竞争规则t-1时刻成功竞争占用信道的数据优先级为i，某个节点t时刻竞争信道的数据优先级为j，该节点计算p
ij
是否发生，若p
ij
发生则竞争信道，若1-p
ij
发生则再次进入等待uw-ack模式。此处p
ij
指占用信道的数据优先级从t-1的i优先级数据转移t时刻j优先级数据的概率，每个节点根据上述算法计算t时刻是否竞争信道。当节点接收到接收节点广播的uw-ack广播帧后，节点根据uw-ack广播帧中的class优先级，判断下一时刻信道竞争后的数据优先级类别，如图7中占用信道数据优先级为1转移到优先级为1、i、k；优先级为i转移到优先级为1、i、k；优先级为k转移到优先级为1、i、k。
[0055]
本发明中auv以及无线传感器根据无监督学习中的有限状态离散时间马尔可夫链算法随机竞争信道的流程图参见图9。设置auv采集的数据为最高优先级k 1，以免在auv与其他节点竞争时无法将数据转发使得auv持续发送请求帧以及计算下一发送时刻转发概率等消耗能量，即auv发送的数据必定会竞争信道。在各节点(包括auv)接收到接收节点广播
的uw-ack广播帧后判断uw-ack广播帧中携带的class优先级，随后判断其优先级是否为k 1，若为k 1则表示上次占用信道的节点为auv，此时各节点根据缓存中的最近一次非k 1的优先级类别计算下一次信道为自己预转发节点的优先级的概率，若这个概率发生则参与竞争信道，若不发生则不竞争信道等待新的uw-ack广播帧后重新竞争信道。
[0056]
本发明的适用于auv的uwsns介质访问控制方法，具有高优先级数据优先转发、数据碰撞率低、能耗低的优点，适用于auv与水下无线传感器共同组成的uwsns介质访问控制协议。本发明的适用于auv的uwsns介质访问控制方法作为一种有效、实用的技术方案，应用前景看好。
[0057]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。