一种节省能量的水声通信MAC层协议

一种节省能量的水声通信MAC层协议
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- 1 -一种节省能量的水声通信MAC 层协议1

程娟,蒋挺,周正

北京邮电大学无线网络实验室,北京(100876)

E-mail :zzhou@bupt.edu.cn

摘 要:简要分析了目前在传感器网络中有关节能的研究成果,介绍了水声通信网的基本特征,在已有的节能MAC 协议的基础上,提出了一种适合于水声通信的基于节点休眠的自同步MAC 协议,称为PEMACBLS (Power-efficient MAC based on Locally Synchronization),该协议不需要全网同步和统一调度,也不需要RTS/CTS 握手机制,节点只需要在初始化的时候监听周围节点的周期信息,通过自身的同步在指定的时间接收邻居节点的分组信息。分析和仿真结果表明该协议在单个节点的平均一跳节点邻居数为4到6个时,能够有限地减少由于分组碰撞带来的能量消耗,延长网络寿命。如果能够把网络拓扑控制与本协议有机地结合起来,本文提出的MAC 协议将会有更好的适用性。

关键词:水声通信,能量有效,自同步MAC 协议,拓扑控制

中图分类号:TN914.5

1. 引 言

在水声通信网络(UWANs )中,由于能量有限,较长时间的传输时延,低的数据速率以及在水声环境中很难进行时间同步,这些特点使得在水声通信网络中部署能量有限的传感器节点时,MAC 协议的设计是一个很大的挑战[1][2][3]。

最近的基于能量有效的MAC 协议的研究主要集中于陆地传感器网络的研究

[4][5][6][7][8],并且这些协议由于水声通信媒介的长传输时延(水声通信信道的传播速率仅为1500m/s )并不适合于UWAN 网络,在过去的声学网络的部署中,主要采用FDMA 方式(例如1998-1999年部署的SeaWeb[9]),被证实性能要求过于严格,并且带宽利用率有限。SeaWeb2000采用了RTS/CTS 握手机制的CSMA/CA 方案,但是CSMA/CA 加剧了端到端的时延,特别是在拥有大量节点的水声传感器网络中。此外,在文献[10]中,作者采用了RTS/CTS 握手和MAC 层的ARQ 重传机制来减少数据丢失,但是增加了能量的消耗。Xie &Gibson[11]提出了一种水声网络解决方案,通过固定基站计算所有节点的路径,通过去除RTS/CTS 握手机制来减少延迟。然而,这种集中式的解决方案对于有大量节点的大型网络显得无能为力。

在目前所有的关于陆地传感器节点研究的文献中,PEDAMACS[5]是一种提高能量效率的MAC 协议,所有的节点通过一个公共的基站进行同步,基于集中式的拓扑结构,采用TDMA 的接入方式,获得了较高的带宽利用率,并且提高了能量效率,减少能量消耗。文献[6]中的自配置协议采用分布式TDMA 方案,S-MAC 协议[12]是在802.11DCF 基础上的改进协议,和PAMAS[7]协议类似,采用节点同步的睡眠周期的思想,并且进行自适应的监听。最近的文献[8][13]在S-MAC 方案的基础上提出了快速路径解决方案:通过上层的拓扑信息允许快速路由,消除由于睡眠-监听周期的长度带来的时延,在整个网络中采用统一的调度方案,这在水声通信网络中是不适用的。

本文在现有能量有效的MAC 协议的基础上,提出了一种适合于水声通信的基于节点休眠的自同步MAC 协议,称为PEMACBLS(Power-efficient MAC based on Locally

1本课题得到国家自然科学基金项目(60372097;60432040;60572158;60572020)、北京市自然科学基金项目(4052021)、教育部博士点专项基金项目(20060013008)和韩国仁荷(UWB-ITRC )合作项目的资助。

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