一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法
2023-06-25 14:27:01 2
一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法
【專利摘要】本發明公開一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法。該方法的每個傳輸周期包含握手、傳輸、結束三個階段，具體步驟為：步驟A1：當信道空閒且有至少1個節點需要發送數據時，網絡進入握手階段；步驟A2：握手階段結束後，網絡進入傳輸階段，每個需要發送信息的節點按優先級順序，計算本節點能無衝突地發送數據至相應目的節點的時刻，計時至該時刻後，向相應目的節點發送數據；步驟A3：當所有節點的數據發送完畢後，網絡進入結束階段。本發明可以讓水聲網絡中的多個節點在同一個傳輸周期內批量傳輸數據而不發生衝突，能有效地提高信道的利用效率，減少通信的平均時延，可廣泛用於各種基於競爭協議的水聲通信網、水聲傳感網等場合。
【專利說明】-種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及水聲通信領域，特別是一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通 信方法。
【背景技術】
[0002] 水聲通信網絡是水下通信技術研究的一個重要方向，在水下勘探、水下石油開採、 戰術監控、汙染監測、海嘯預警、輔助導航、生態監控等方面有著廣泛的用途。組建高性能的 水聲通信網絡，不但需要解決水下點對點兩個用戶之間的可靠通信，同時還需要考慮多個 用戶在共享水介質信道時信息如何高效地交互。水聲信道的頻帶窄、時延長、能量受限等特 點使得媒體接入控制技術成為影響水聲通信網絡性能的關鍵因素之一。
[0003] 在目前的水聲通信網絡中，媒體接入控制技術大致可W分為固定分配信道和競爭 使用信道兩種。固定分配信道的方式將整個通信的頻譜資源劃分為多個信道，固定分配給 節點單獨使用。該種信道的使用方式可W避免衝突的發生，也無需握手等交互，適用於各節 點持續有數據發送的場合，但對於突發數據的傳輸效率不高。在競爭使用信道的方式中，用 戶通過競爭獲取信道的使用權，並在一定時間內獨佔所有的帶寬，可W較好地滿足突發數 據傳輸的要求，但在多個節點同時有數據要發送時，需要使用專口的技術來決定信道的使 用權，W避免衝突的發生。
[0004] 握手是競爭使用信道方式中最常用的一種衝突避免技術。通過握手，需要發送數 據的節點可W競爭獲得數據傳輸信道的使用權，避免數據傳輸時產生衝突。CSMA、MCA和 FAMA等常用的水聲網絡媒體接入控制協議中均採用了握手機制。但在現有的基於握手的水 聲網絡媒體接入控制協議中，每個傳輸周期通常只有一對節點可W相互通信，由於水聲信 道的時延很長，該種通信方式存在著W下的不足：
[0005] (1)信道利用率低。一個傳輸周期通常包括握手、數據傳輸、傳輸結束=個階段。 由於聲波在水中的傳播速度低，握手階段中節點間的信息交互通常需要較長的時間才能完 成。而現有基於握手的水聲網絡媒體接入控制協議中每個傳輸周期只允許一對節點通信， 使得握手階段耗時在整個傳輸周期中佔有較大的比例，有效數據傳輸時間所佔比例小，降 低了信道的利用率。
[0006] (2)多節點通信時平均時延長。在現有基於握手的水聲媒體接入控制協議中，由於 每個傳輸周期只允許一對節點通信，因此多對節點需要輪流進入各自的傳輸周期才能完成 傳輸，即當前一對節點傳輸完畢後，新的一對節點需要重新進行握手、傳輸數據及結束傳輸 的過程，需要較長的時間才能完成多節點之間的通信。
【發明內容】
[0007] 針對現有競爭信道水聲網絡中媒體接入控制協議因每個傳輸周期只允許一對節 點通信而造成的信道利用率低、多節點通信時平均時延長等不足，本發明提供了一種適用 於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，可W讓水聲網絡中的多個節點在同一個傳輸 周期內批量傳輸數據而不發生衝突，能有效地提高信道的利用效率，減少通信的平均時延， 可W廣泛用於各種基於競爭協議的水聲通信網、水聲傳感網等場合。
[000引本發明提供的適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，每個傳輸周期包 含握手、傳輸、結束=個階段，具體步驟如下（W下所有縮寫均為本領域的慣用術語）：
[0009] 步驟A1 ;當信道空閒且有至少1個節點需要發送數據時，網絡進入握手階段。需 要發起通信的節點廣播RTS信令，相應的目的節點若同意通信，則廣播回復CTS信令，直至 在預設的時間內再無新的RTS和CTS信令發出，握手階段結束。每個節點偵聽並記錄本次 傳輸周期中所有成功握手的通信請求。
[0010] 步驟A2 ;握手階段結束後，網絡進入傳輸階段，每個需要發送信息的節點按優先 級順序，計算本節點可W無衝突地發送數據至相應目的節點的時刻，計時至該時刻後，向相 應目的節點發送數據。
[0011] 步驟A3;當所有節點的數據發送完畢後，網絡進入結束階段，每個接收到數據的 目的節點按優先級順序，計算本節點可W無衝突發送ACK或NACK信令至相應源節點的時 亥IJ，計時至該時刻後，接收數據正確的目的節點向相應的源節點發送ACK信令，接收數據有 錯誤的目的節點向相應的源節點發送NACK信令。當所有源節點接收到ACK或NACK信令後， 本傳輸周期結束。
[0012] 上述步驟A2中，每個節點發送數據的時刻採用W下方法計算：
[0013] 步驟A2. 1 ;優先級最高的源節點Si W最後一個CTS信令中的時間標籤為0時刻， 經過預設時間7^">化"後開始發送數據，其中Dm。為水聲網絡任意兩節點間數據傳播的最 大延時。上述CTS信令中的時間標籤為該CTS信令發送的時刻。
[0014] 步驟A2. 2 最後一個CTS信令中時間標籤為0時刻，優先級為i的源節點Si在 W下時刻發送數據給相應的目的節點中
[0015]
【權利要求】
1. 一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特徵在於每個傳輸周期包 含握手、傳輸、結束三個階段，具體步驟如下： 步驟A1 :當信道空閒且有至少1個節點需要發送數據時，網絡進入握手階段，需要發起 通信的節點廣播RTS信令，相應的目的節點若同意通信，則廣播回復CTS信令，直至在預設 的時間內再無新的RTS和CTS信令發出，握手階段結束；每個節點偵聽並記錄本次傳輸周期 中所有成功握手的通信請求； 步驟A2 :握手階段結束後，網絡進入傳輸階段，每個需要發送信息的節點按優先級順 序，計算本節點能無衝突地發送數據至相應目的節點的時刻，計時至該時刻後，向相應目的 節點發送數據； 步驟A3 :當所有節點的數據發送完畢後，網絡進入結束階段，每個接收到數據的目的 節點按優先級順序，計算本節點能無衝突發送ACK或NACK信令至相應源節點的時刻，計時 至該時刻後，接收數據正確的目的節點向相應的源節點發送ACK信令，接收數據有錯誤的 目的節點向相應的源節點發送NACK信令；當所有源節點接收到ACK或NACK信令後，本傳輸 周期結束。
2. 根據權利要求1所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於步驟A2中，每個節點發送數據的時刻採用以下步驟計算： 步驟A2. 1 :優先級最高的源節點即第一個源節點81以最後一個CTS信令中的時間標籤 為0時刻，經過預設時間>Dmax後開始發送數據，其中D_為水聲網絡任意兩節點間數 據傳播的最大延時；所述CTS信令中的時間標籤為該CTS信令發送的時刻； 步驟A2. 2 :以最後一個CTS信令中時間標籤為0時刻，優先級為i的源節點Si在以下 時刻發送數據給相應的目的節點屯，
其中？為優先級為i的源節點即第i個源節點發送數據的時刻，為數據從^傳 輸到七的時延，if"為第i個源節點發送數據包的持續時間，C為預設的保護時間。
3. 根據權利要求1或2所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法， 其特徵在於上述步驟A3中，每個節點發送ACK或NACK信令的時刻採用以下步驟計算： 步驟A3. 1 :優先級最高的目的節點屯以信道中最後一個數據包中時間標籤為0時刻， 經過預設時間TT* 2Dmax後開始發送ACK或NACK信令，其中D_為水聲網絡任意兩節點間 數據傳播的最大延時；所述數據包中的時間標籤為該數據包發送的時刻； 步驟A3. 2 :以信道中最後一個數據包中時間標籤為0時刻，優先級為i的目的節點屯 在以下時刻發送ACK或NACK信令給相應的源節點si:
其中7T*為優先級為i的目的節點發送ACK或NACK信令的時刻，為數據從d/專輸 4的時延，/T"為優先級為i的目的節點發送的ACK或NACK信令持續時間，C為預設的保 護時間。
4. 根據權利要求3所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於上述步驟A3. 2中，如果優先級為k的目的節點接收到兩個以上源節點的信息，則在 回復優先級最高的源節點的時刻同時向所有發送信息到該節點的源節點回復ACK或NACK 信令；優先級低於k的目的節點計算發送時刻時，if4等於優先級為k的目的節點所回復的 所有ACK或NACK信令持續時間及發送這些信令間的保護時間之和，k為1?i。
5. 根據權利要求3所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於任意源節點Si和目的節點1之間的時延採用以下過程估計：每個節點在網絡建 立階段或空閒的時候，向網絡其他節點廣播各節點到本節點的延遲。
6. 根據權利要求3所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於上述適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，任意源節點Si和目的節點d」 之間的時延採用以下過程估計：根據網絡各節點的位置信息，計算4和h之間的距離L，則1^=i/v，v為水中的聲速。
7. 根據權利要求1所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於源節點能用以下方法在同一傳輸周期內同時向多個目的節點發送不同的數據： 步驟B1 :在握手階段，該源節點發送的RTS信令中按優先級順序加入多個目的節點標 識，相應的目的節點接收到該RTS信令後，如果可以接收，則回復CTS信令； 步驟B2 :在數據傳輸階段，該源節點按優先級順序分別計算能無衝突地發送數據到各 目的節點的時刻，並在相應的時刻向各目的節點發送數據； 步驟B3 :在結束階段，上述源節點對應的各目的節點按優先級順序計算本節點可以無 衝突發送ACK或NACK信令至上述源節點的時刻，計時至該時刻後，接收數據正確的目的節 點向上述源節點發送ACK信令，接收數據有錯誤的目的節點向上述源節點發送NACK信令； 當所有源節點接收到ACK或NACK信令後，本傳輸周期結束。
8. 根據權利要求7所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於步驟B2中，當優先級為i的源節點發送數據到目的節點dn、di2、......、dik時， 則對應於目的節點dik(ke[1，K])的數據發送時刻採用下式計算：
其中7^_為Si發送數據到dik的時刻，為數據從Si傳輸到屯的時延，為第i個源節點發送的數據包持續時間，C為預設的保護時間，為Si發送給dim的數據包的持 續時間，發送數據到dim時採用的保護時間；優先級低於上述源節點的其它源節點 在計算發送數據時刻時，採用下式計算
9.根據權利要求1所述的一種適用於競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，其特 徵在於結束階段目的節點不發送ACK或NACK信令，最後一個數據包發送後，經過預設的一 段時間，本傳輸周期結束。
【文檔編號】H04W74/08GK104486005SQ201410714302
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月30日 優先權日:2014年11月30日
【發明者】張軍, 武春花, 馮義志, 寧更新, 季飛, 餘華, 陳芳炯, 韋崗 申請人:華南理工大學