带宽分配

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号

(43)申请公布日

(21)申请号2.9

(22)申请日2022.06.24

(71)申请人海南大学

地址570228海南省海口市美兰区人民大

道58号

(72)发明人黄向党 刘敬科 李天 陈艳霞

羊秋玲

(51).

H04W28/10(2009.01)

H04W28/20(2009.01)

H04W56/00(2009.01)

H04W80/02(2009.01)

H04W84/18(2009.01)

H04B13/02(2006.01)

H04L69/00(2022.01)

(54)发明名称

一种水下网络公平带宽分配MAC协议

(57)摘要

本发明设计了一种适用于水下无线传感器

网络的MAC协议，水下网络公平带宽分配MAC协

议，该MAC协议设计主要包括下列步骤：建立网络

模型：不含移动节点的集群网络模型，由一个主

节点和n个成员节点组成，将时间划分为若干个

大小相等的时隙；成员节点在RTS阶段向主节点

发送传输需求；主节点使用带宽分配机制根据节

点的传输需求和数据包的产生时间为节点公平

分配带宽，然后根据带宽分配结果调度节点数据

包的无冲突传输。

权利要求书1页说明书4页

CN115119267A

2022.09.27

C

N

1

1

5

1

1

9

2

6

7

A

1.水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，包括下列步骤：

（1）建立系统模型：本协议使用不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个成

员节点组成，所有节点轮流广播小控制包，计算成员节点与主节点的传播延迟，实现时间同

步;将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙的开始进行发送并保证

在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度 为，其中

为网络的最大传播延迟，为控制包的传输延迟;

（2）RTS阶段:有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包，RTS包发送后，

节点将等待接收CTS包;

（3）调度阶段：设置主节点在一个数据传输轮中用来存放接收的数据包的数据时隙数，

即主节点可接收的最大数据包个数以避免主节点在接下来的数据传输阶段长期处于

接收状态;主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点分配

带宽，根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点数据包的无冲突传输;在第二时隙的

开始将调度信息添加在CTS包中广播给成员节点;

（4）数据传输阶段：竞争节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包;

（5）ACK阶段：到达主节点预期完成接收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一

时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点数据包的接收情况。

权 利 要 求 书

1/1页

2

CN115119267A

一种水下网络公平带宽分配MAC协议

技术领域

[0001]本发明属于水下无线传感器网络通信技术领域，涉及一种水下网络公平带宽分配

MAC协议。

背景技术

[0002]近年来，水下无线传感器网络的应用日益广泛，因此其已经成为探索和开发海洋

的重要方式。水声打印机脱机是怎么回事 传感器网络将多个传感器节点通过一定的方式布置在水下环境中，水下

节点和陆上基站、海面sink节点形成一个整体，通过声波进行通信。由于声波在水下环境的

传播速度远小于无线电在陆地的传播速度，以及水下环境的噪声、能量损失等影响，使得水

声网络具有传播延迟长，可用带宽窄，误码率高，能耗高等特点。因此，水下网络MAC协议的

设计的难度明显高于地面MAC协议，研究者根据水下无线传感器网络的特殊特性做了许多

水下网络MAC协议的研究。根据信道占用方式，MAC协议大致分为基于非竞争的MAC协议和基

于竞争的MAC协议。基于非竞争的MAC协议可以分为基于TDMA、FDMA和CDMA的MAC协议。基于

竞争的MAC协议与基于非竞争的MAC协议的区别主要在于节点通过竞争来灵活地使用信道

资源，又可以分为随机竞争MAC协议和基于握手的MAC协议。现有大多数水声网络MAC协议未

充分考虑带宽的合理分配问题。它们一般通过节点竞争的方式或者为节点分配同样大小传

输时间的方式来进行信道资源的分配。然而由于水下网络不同于陆地网络，长的传播延迟

会引起空间不公平性问题，其他信道竞争的方式同样会导致少数竞争成功的节点获得大量

带宽资源，而其他节点可能长期处于饥饿状态，从而引起水声信道的不公平竞争。而为节点

固定分配传输时隙的MAC协议，如基于TDMA的协议，不能满足所有节点的传输需求，进而会

引起传输带宽的浪费。因此，公平合理的带宽分配不是为每个节点分配相同的传输时间，而

是根据节点的传输需求为不同节点分配带宽，使流量负载较大的节点获得更多的传输带

宽。这种带宽分配方案致力于减少带宽资源的浪费，防止单个节点长期占用信道，从而提高

MAC协议的公平性。为了解决上述水下网络MAC协议的信道共享方式存在的不公平问题以及

提高吞吐量，本发明提出了水下网络公平带宽分配MAC协议，使用提出的带宽分配机制来提

高公平性，并使用数据包的传输调度来提高吞吐量。为了防止主节点长时间处于接收状态，

规定一个数据传输轮中主节点使用的数据时隙个数。在调度阶段，主节点首先使用带宽分

配机制根据每个节点的流量负载进行可传输数据包的公平分配，以最大程度地保证信道使

用的公平性。然后，主节点根据带宽分配结果调度节点的数据包传输，以获得较高的信道利

用率。

发明内容

[0003]为了解决已有水下网络MAC协议传输带宽的不合理分配问题以及传统MAC协议吞

吐量较低的问题，本发明提供了一种水下网络公平带宽分配MAC协议的设计，当主节点收到

多个节点的竞争信息后，它会为根据每个节点的传输需求和数据包的产生时间计算出每个

节点可传输的数据包，然后主节点计算每个节点数据包的发送时间，实现节点的无冲突传

说 明 书

1/4页

3

CN115119267A

输，提高网络的性能。技术方案如下：

水下网络公平带宽分配MAC协核酸的基本单位 议的设计，包括下列步骤：

1．建立系统模型：本协议使用不含移动节点的集群网络模型，由一个主节点和n个

成员节点组成，成员节点随机分布在主节点的最大通带东的成语 信范围内，成员节点向主节点请求信

道资源并向其发送数据。主节点作为所上古神话 有成员节点共同的接收器，在收集了水下数据后，将

数据包通过无线链路传输给陆上数据中心。所有节点轮流广播小控制包，计算成员节点与

主节点的传播延迟，实现时间同步。将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能

在时隙的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度为

，其中为网络的最大传播延迟，为控制包的传输延迟。

[0004]RTS阶段:有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节点发送RTS包，RTS包发送

后，节点将等待接收CTS包。

[0005]调度阶段：设置主节点在一个数据传输轮中用来存放接收的数据包的数据时隙

数，即主节点可接收的最大数据包个数，以避免主节点在接下来的数据传输阶段长期

处于接收状态。主节点使用带宽分配机制根据节点的传输需求和数据包的产生时间为节点

分配带宽，根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点数据包的无冲突传输。在第二时

隙的开始将调度信息添加在CTS包中广播给成员节点。

[0006]数据传输阶段：竞争节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包。

[0007]ACK阶段：到达主节点预期完成接收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一

时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点数据包的接收情况。

[0008]具体实下笔如有神 施方案

本发明提供了一种水下网络公平带宽分配MAC协议，当主节点收到多个节点的竞

争信息后，它会为根据每个节点的传输需求和数据包的产生时间计算出每个节点可传输的

数据包，然后主节点计算每个节点数据包的发送时间，实现节点的无冲突传输，从而提高公

平性和吞吐量性能。

[0009]提出的水下网络公平带宽分配MAC协议是针对不含移动节点的集群网络模型，主

节点作为所有成员节点共同的接收器，在收集了水下数据后，将数据包通过无线链路传输

给陆上数据中心。

[0010]本发明的具体操作流程如下：

1.建立系统模型并实现网络初始化：网络由一个主节点和n个成员节点组成，成员

节点随机分布在主节点的最大通信范围内，成员节点向主节点请求信道资源并向其发送数

据。在网络初始化阶段，所有节点轮流广播小控制包（包含时间戳），计算成员节点与主节点

的传播延迟，实现时间同步。将时间划分为若干个大小相等的时隙，每个控制包只能在时隙

的开始进行发送并保证在时隙结束前能够被主节点接收，设置时隙长度为

，其中为网络的最大传播延迟，为控制包的传输延迟。

[0011]2.一个数据传输轮分为四个阶段，分别是RTS阶段、调度阶段、数据传输阶段和ACK

阶段。RTS阶段是一个数据传输轮的第一数学论文范文 时隙。有传输需求的节点在第一时隙的开始向主节

点发送RTS包。节点发送RTS包后将等待接收CTS包。调度阶段包含两个过程：带宽分配过程

说 明 书

2/4页

4

CN115119267A

和数据包调度过程（在下面介绍）。为了避免主节点在接下来的数据传输阶段长期处于接收

状态，本协议设置主节点可接收的最大数据包个数。主节点根据节点的传输需求和数

据包的产生时间为节点公平分配带宽。然后根据传播延迟信息和带宽分配结果来安排节点

数据包的无冲突传输。在第二时隙的开始广播包含调度信息的CTS包。数据传输阶段：竞争

节点接收到CTS包后，根据其中的调度信息传输数据包。ACK阶段：当到达主节点预期完成接

收最后一个应被接收的数据包的时间后，在下一时隙的开始广播一个ACK包通知竞争节点

数据包的接两个字男生网名 收情况。

[0天秤座读音 012]a. 传输带宽的分配过程：主节点在数据传输轮的第一时隙成功接收到来自m个竞

争节点的RTS包后，根据RTS包获得所有竞争节点想要传输的数据包的总个数N。根据

和N的关系，分以下两种情况：

1．当时，节点的传输需求不能被完全满足，则需要将个数据时隙进

行分配，确定每个竞争节点在后续的数据传输阶段可以传输的数据包。假设节点i的RTS包

中想要传输的数据包个数为，要实现公平分配，那么节点i可传输的数据包个数通过

以下步骤计算。

[0013]（1）如果不是整数，那么取的整数部分，得到

个数据时隙是一定可以分配给节点i的。如果为整

数，那么,直接将个数据时隙分配给节点i

即可。根据经验法则，一个节点产生时间较早的数据包应该被较早传输。所以初步分配给节

点i的个可传输的数据包是节点i的个数据包中产生时间升序排序的前个数据

包。对主节点收到的所有RTS包所属的竞争节点进行和节点i同样的初步带宽分配。

[0014]（2）如果存在竞争节点j的为小数，那么初步分配结束后，个

数据时隙一定还有剩余未分配给竞争节点的，需要对节点可传输的数据包进行二次分配。

假设中还有x个数据时隙未分配，首先找出具有在初次分配中未被分配的数据包的竞

争节点，然后找出每个节点剩余数据包中产生时间最早的数据包，对这些数据包的产生时

间升序排序，那么序列中的前x个数据包也是可以被传输的。所以这些数据包所属的节点被

分配的数据时隙数为初步分配的时隙数加一。综上所述，节点i可传输个数据包

为它想传输的个数据包中产生时间较早的前个，其他节点的带宽分配方式也与节点

i相同。这样既实现带宽的按需分配，又实现了个数据时隙的充分利用。

[0015]2．当时，节点的传输需求能够被完全满足,节点的想要传输的所有数据

包在该轮数据传输中都可被按数据包产生时间从早到晚的顺序传输。

[0016]b.数据包的传输调度过程：为节点进行公平带宽分配后，为了通过提高信道利用

率，主节点应安排被分配了至少一个数据时隙的节点的数据包的传输，使数据包能够以序

列的形式到达主节点。为了尽可能减少数据包到达主节点之间的空闲时间，本文规定节点

按传播延迟从小到大的顺序传输数据包。且为了节点的多个数据包的相对公平传输，规定

同一节点的多个数据包按产生时间从早到晚的顺序传输。假设主节点在RTS阶段成功接收

到来自A、B、C、D四个节点的RTS包，且它们到主节点的传播延迟，则节点

说 明 书

3/4页

5

CN115119267A

的传输顺序为B,A,C,D。假设该轮数据传输的RTS阶段开始时间为，那么节点B、A、C、D接收

到CTS包的时间、、、为

（1）

当节点B接收到CTS包后立即发送数据包，则节点B发送第一个数据包的时间

为。理想情况是当节点B的最后一个数据包被主节点接收后，节点A的第一个数据

包刚好到达主节点。但也存在特殊情况，如果节点A收到CTS包后立即发送数据包，节点A 的

数据包到达主节点的时间依然晚于节点B的最后一个数据包被主节点接收的时间，此时节

点A应在收到CTS包后立即发送数据包。节点C和节点D的数据包到达方式与节点A相同。那么

节点A、C、D的第一个数据包的发送时间、和为

（2）

其中、和为节点B、A、C可以传输的数据包个数，为数据包的传

输延迟，为保护时间。

[0017]因此得出规律，如果主节点在RTS阶段接收到m个竞争节点的RTS包，它们的传播延

迟升序排序的顺序即为它们的传输顺序。传输顺序为k ()的节点的第一个数

据包的传输时间为

（3）

其中是顺序为k的节点接收CTS包的时间，是顺序为k的节点与主节点间的

传播延迟，是顺序为k的节点可传输的数据包的个数。

说 明 书

4/4页

6

CN115119267A