一种基于小规模UWSN网络的混合MAC协议研究

郑天铭

摘 要 针对小规模UWSN网络中单一协议无法适应网络负载动态变化带来的影响网络吞吐量和端到端时延性能问题，提出一种混合Mac协议LSHP（Load  Self-adaptive Hybrid  Protocol）。LSHP结合TDMA和CSMA/CA协议，根据竞争者数目与协议切换关键值进行对比从而判断网络负载，再选择相应的时隙分配方式，最后根据节点的优先级和最优退避次数选择较优的接入方式，进行接入方式的切换。

关键词 水下传感器网络;介质访问控制协议;TDMA协议;CSMA/CA协议

对于小规模UWSN而言网络负载是动态变化的，在负载较小时，TDMA 协议会造成信道的空闲以及端到端时延的增加，而CSMA/CA协议恰好相反[1]。为了使网络在任何负载情况下都具备较好的吞吐量和端到端延迟，本文提出了将TDMA和 CSMA/CA 进行结合，得到LSHP（Load  Self-adaptive Hybrid  Protocol）协议。LSHP协议可以根据网络当前节点竞争数目对CSMA/CA与TDMA协议进行选择，选择出合适的数据传输协议。

1网络模型

LSHP的网络模型是由一个主节点和N个从节点组成的星形集中式网络，其中主节点为高级节点，负责收集从节点的数据并储存。LSHP的工作周期是由交替出现的竞争周期以及数据传输周期组成的。多个时隙构成一个周期，当前网络负载情况决定当前周期内时隙的个数。

2协议设计

2.1 时隙设计

水下传感器网络的信道冲突具有时空二元性的特点，许多水下 MAC 协议将单个数据帧的发送时间与网络中最远节点间的传播时延设置为单个时隙的长度[2]。LSHP协议中的竞争时隙内节点用预约帧RTS进行信道竞争，将竞争时隙片长度设计为：

式中为数据幀的发送时延，为网络中节点i与节点j间的传输时延。

而在传输时隙内，将数据帧的帧长度设计为满足帧的发送时延与节点间的传输时延相同，使数据帧在一个时隙片内被完整接收。所以传输时隙片长度为：

2.2 协议转换值的研究

由于随着竞争者数目增多，产生碰撞的概率增大，CSMA/CA协议的吞吐量随竞争者数目的增加而逐渐降低。与之相反，TDMA协议的吞吐量随竞争者数目的增加而逐渐增大。因此，随着竞争者的增加，当CSMA/CA协议的吞吐量和TDMA协议的吞吐量相等时，此时的竞争者数目N即是协议的切换关键值。

网络吞吐量是指仿真时间内所有接收的数据包字节与仿真时间的比率，计算如式3所示：

2.3 协议转换值的研究

当网络中有3个或者3个以上节点需要竞争信道时，无法在一个时隙内完成预约。此时LSHP协议采用退避算法淘汰竞争节点[3]。然而，当网络在一个竞争周期内竞争结束后只有1个或者2个节点完成竞争，那么将会有N-1个或者N-2个节点参与下一次的竞争，随着N值的增加，时隙数也会增加，竞争效率并不理想，所以本文在RTS加入了节点竞争优先级策略，即在预约帧中加入节点竞争优先级参数。定义每个竞争节点各自保存一个初始值为0 的竞争优先级参数a。这个竞争优先级参数用来统计本节点从竞争周期刚刚开始时刻一直到节点被淘汰所经历过的时隙的总数量。

3实验结果分析

结果表明，当网络负载较小时，由于LSHP加入了RTS预约帧导致网络吞吐量比CSMA/CA协议稍低;当网络负载较大时，由于LSHP使用额外的竞争时隙来对当前信道的负载量情况进行判断导致其网络吞吐量性能比 TDMA 协议稍低。但混合Mac协议LSHP的网络吞吐量比单一的协议CSMA/CA和TDMA协议有明显的优化。

参考文献

[1] 徐亚男.无线传感器网络中MAC协议分析[J].软件导刊，2020， 19（1）：248-255.

[2] 洪璐.水下传感器网络高效数据传输协议研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[3] 王雪瑞，周岩.基于竞争估计的无线传感器网络改进退避算法[J].西安文理学院学报（自然科学版），2015，18（4）：61-65.