CN102035728B - 一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法，该方法首先分析了传统时分复用协议方法的信道利用效率，在此基础上加以改进，根据用户需求动态分配时隙，使信道上传输的数据只来自有数据需要传输的用户，以避免出现空闲时隙的开销，节点不依赖控制中心，依据邻节点信息更新网络时隙分配表，自主实现网络时隙的动态分配使节点合理占用信道资源进行数据传输，提高网络能量的利用效率，延长网络生存时间。从而提高了信道利用率。

Description

一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法

技术领域：

本发明涉及传感器网络数据链路层的时分复用技术，尤其涉及一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术：

时分复用技术是传感器网络数据链路层的协议方法之一，然而在水声通信网络应用中，当时隙划分较多且数据较少的情况下，采用传统的时分复用协议(TDMA)方法为每个节点分配时隙，网络节点只有在自己的时隙内进行数据的发送，否则就处于接收状态，即使节点在自己的时隙内没有数据要发送也仍然占用该时隙，其他网络节点也不能使用该时隙。如果要调整时隙的分配则需要通过控制中心向其他节点发布信息，每个网络节点不能自主判断是否可以占用其他网络节点的时隙。因此传统的实现方法存在额外开销大、网络吞吐量低、网络资源不能动态分配的缺陷。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术之缺点，提出了一种应用于水声通信网络的时分复用协议(USN-TDMA)方法，网络节点不依赖中心控制节点，可以自主进行动态分配时隙，在避免数据冲突的情况下使待发送数据的用户能及时利用信道资源，降低空闲时隙的开销，从而提高信道利用率，从而改善网络整体性能。

本发明的上述目的是这样实现的：一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法，其特征在于：网络中时隙的分配调整工作不依赖控制中心的分配，而是由网络中的成员节点分担，每个网络节点在初始时建立网络时隙分配记录信息，将时隙使用权和网络节点一一对应，在通信过程中依据邻节点信息动态调整时隙分配信息，更新时隙状态，当最后节点的时隙结束时重新开始下一轮工作过程，使信道上传输的数据只来自有数据需要传输的用户，提高信道利用率；即：如果一个网络节点在自己的时隙内没用数据要发送，则发布广播通知邻居节点，收到该广播的网络节点首先依据广播内容调整时隙记录信息，然后判断当前时隙是否为本节点使用时隙，是就占用当前时隙进行数据发送，否则进入数据接收状态。

可按以下步骤：

1)网络进行初始化，建立网络的拓扑结构；

2)网络所有节点在设定的时间进入时分复用状态，网络节点建立初始时隙分配信息；设控制包长度为FrameCtrl，单位bit，数据率为R，单位bit/s，广播功率为Pg，单位w，休眠功率为Ps，单位w，通信范围为MaxDist，单位m，传播速度为Cspeed，单位m/s，发送功率为Pt，单位w，数据包长度为FrameLen，单位bit；

计算3组时间值：

$T_1=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}\·\frac{\mathrm{Pg}}{\mathrm{Ps}}$

$T_2=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}+\frac{\mathrm{MaxDist}}{\mathrm{Cspeed}}$

$T_3=\frac{p\·\mathrm{FrameLen}\·\mathrm{FrameCtrl}}{R[p\·\mathrm{FrameLen}+(1-p)\·\mathrm{FrameCtrl}]}\·\frac{\mathrm{Pg}-\mathrm{Pt}}{\mathrm{Ps}}$

将网络时隙划分时间Tslot与以上中的最大值进行比较，若：

T_slot＞max(T₁，T₂，T₃)，进入下一步骤；

3)网络所有节点进入分时处理过程，先判断当前时隙是否为本节点的发送时隙，如果是，则进入发送状态，执行步骤4)；否则，进入接收状态，执行步骤5)；

4)在本节点发送时隙内：

a)如果有数据需要发送，先判断该数据是自己产生的数据还是需要中继的其它节点的数据，再将数据发送出去，然后进入休眠状态，以节省能量消耗；执行步骤6)；

b)如果没有数据需要发送，则向全网广播，通知所有节点，将空闲时隙让给邻居节点点，然后进入休眠状态，以节省能量消耗，执行步骤6)；

5)在本节点接收时隙内：

a)先进入休眠状态，以节省能量消耗，当感知有信息需接收时，从休眠状态中被唤醒；

b)如果接收到数据，先判断该数据是自己的数据还是需要中继的其它节点的数据，如果是给自己的，就将该数据保存；

c)如果是需要中继的其它节点的数据，就将该数据暂存，等到自己的发送时隙时再发送；

d)如果接收到广播，节点根据广播内容调整发送时隙与节点编号，节点查询时隙分配记录信息，判断本节点是否能占用当前时隙，如果能够占用则执行步骤4)，否则执行步骤6)；

6)当前时隙结束，网络节点进入下一时隙，从步骤3)处重新开始下一个时隙；

7)如果到了网络的时隙周期，则开始新的周期，执行步骤2)。

与现有技术相比，本发明具有的优点及显著效果：

无线传感器网络中动态分配时间片是由控制中心依据数据量的大小为每个终端分配时隙，分配权限主要集中于控制中心。在水声分布式传感器网络中无控制中心的情况下很难实现。本发明方法针对水声分布式传感器网络时隙分配较多、数据量较少，首先分析了传统时分复用技术的信道利用效率，在此基础上加以改进，根据用户需求动态分配时隙，使信道上传输的数据只来自有数据需要传输的用户，以避免出现空闲时隙的开销，从而提高了信道利用率。通过数学推导验证了该方法能解决时隙资源空闲所导致的网络性能下降问题，通过动态调整时隙分配提高信道利用率，从而改善网络整体性能。本发明易实现，具有较高的实际应用价值。

1)网络中的节点作用相同，负责对数据进行发送和中继，数据的中继过程中结合能量因素，以均衡网络节点能量，延长网络生存时间；

2)节点不依赖控制中心，依据邻节点信息更新网络时隙分配表，自主实现网络时隙的动态分配，较固定分配时隙更能充分利用信道资源；

3)从理论上推导了使用该方法的时隙分配约束条件，为网络的设计提供了相应依据；

4)本方法具有较好的可实现性。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明的数据中继发送流程框图；

图3是本发明的节点编号调整流程框图；

图4是时间浪费随节点数量变化的结果；

图5是吞吐量随节点数量变化的结果；

图6是网络平均能量消耗随节点数量变化的结果。

具体实施方式

参看图1

1)网络进行初始化，建立网络的拓扑结构；

2)网络所有节点在设定的时间进入时分复用状态，网络节点建立初始时隙分配信息；设控制包长度为FrameCtrl，单位bit，数据率为R，单位bit/s，广播功率为Pg，单位w，休眠功率为Ps，单位w，通信范围为MaxDist，单位m，传播速度为Cspeed，单位m/s，发送功率为Pt，单位w，数据包长度为FrameLen，单位bit；

计算3组时间值：

$T_1=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}\·\frac{\mathrm{Pg}}{\mathrm{Ps}}$

$T_2=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}+\frac{\mathrm{MaxDist}}{\mathrm{Cspeed}}$

$T_3=\frac{p\·\mathrm{FrameLen}\·\mathrm{FrameCtrl}}{R[p\·\mathrm{FrameLen}+(1-p)\·\mathrm{FrameCtrl}]}\·\frac{\mathrm{Pg}-\mathrm{Pt}}{\mathrm{Ps}}$

将网络时隙划分时间Tslot与以上中的最大值进行比较，若：

T_slot＞max(T₁，T₂，T₃)，进入下一步骤；

以上约束条件的推导过程如下：

将本发明方法(USN-TDMA)与传统时分复用协议方法(TDMA)的网络总体性能进行定量分析，确定进入本发明方法的约束条件，变量定义如下表：

其中：

广播时间Tg＝FrameCtrl/R+MaxDist/Cspeed；

休眠耗能Es＝Tslot*Ps；

发送耗能Et＝(FrameLen/R)*Pt；

广播耗能Eg＝(FrameCtrl/R)*Pg；

网络总体性能：

能量消耗(J)：

传统方法：

本发明方法：

浪费时间(s)：

传统方法：

本发明方法：

吞吐量(bit/s)：

传统方法：

本发明方法：

$\mathrm{Throughput}22=\frac{\frac{c_n^0}{2^n}\·\frac{\mathrm{nFrameLen}}{\mathrm{nTslot}}+\frac{c_n^1}{2^n}\·\frac{(n-1)\mathrm{FrameLen}+\mathrm{FrameCtrl}}{(n-1)\mathrm{Tslot}+T_g}+L+\frac{c_n^n}{2^n}\·\frac{\mathrm{nFrameCtrl}}{n{T}_g}}{n}---\left(6\right)$

平均能量消耗(J/bit)：

传统方法：

本发明方法：

$\mathrm{average}\cos t22=\frac{\mathrm{Energy}\cos t22}{\frac{\frac{c_n^0}{2^n}\·\mathrm{nFrameLen}+\frac{c_n^1}{2^n}\·[(n-1)\mathrm{FrameLen}+\mathrm{FrameCtrl}]+L+\frac{c_n^n}{2^n}\·\mathrm{nFrameCtrl}}{n}}---\left(8\right)$

如果本发明方法在浪费时间、吞吐量、平均能量消耗性能上比传统方法优越，则需要满足以下约束条件：

Timewaste12≥Timewaste22      (9)

Throughput22≥Throughput12    (10)

averagecost12≥averagecost22  (11)

将公式(3)～(8)分别带入(9)～(11)的不等式两侧，经过计算分别得到如下结果：

$\mathrm{Tslot}\≥\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}\·\frac{\mathrm{Pg}}{\mathrm{Ps}}---\left(12\right)$

$\mathrm{Tslot}\≥\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}+\frac{\mathrm{MaxDist}}{\mathrm{Cspeed}}---\left(13\right)$

$\mathrm{Tslot}\≥\frac{p\·\mathrm{FrameLen}\·\mathrm{FrameCtrl}}{R[p\·\mathrm{FrameLen}+(1-p)\·\mathrm{FrameCtrl}]}\·\frac{\mathrm{Pg}-\mathrm{Pt}}{\mathrm{Ps}}---\left(14\right)$

上式表明每个时隙的时间Tslot的必须满足式(12)～(14)中最大的约束条件，如果所设计网络的时隙符合上述条件，则进行以下步骤3)(见图1)；

3)网络所有节点进入分时处理过程，先判断当前时隙是否为本节点的发送时隙，如果是，则进入发送状态，执行步骤4)；否则，进入接收状态，执行步骤5)；

4)在本节点发送时隙内：

a)如果有数据需要发送，先判断该数据是自己产生的数据还是需要中继的其它节点的数据，再将数据发送出去，然后进入休眠状态，以节省能量消耗；执行步骤6)；

b)如果没有数据需要发送，则向全网广播，通知所有节点，将空闲时隙让给邻居节点点，然后进入休眠状态，以节省能量消耗，执行步骤6)；

5)在本节点接收时隙内：

a)先进入休眠状态，以节省能量消耗，当感知有信息需接收时，从休眠状态中被唤醒；

b)如果接收到数据，先判断该数据是自己的数据还是需要中继的其它节点的数据，如果是给自己的，就将该数据保存；

c)如果是需要中继的其它节点的数据，就将该数据暂存，等到自己的发送时隙时再发送；

d)如果接收到广播，节点根据广播内容调整发送时隙与节点编号，节点查询时隙分配记录信息，判断本节点是否能占用当前时隙如果能够占用则执行步骤4)，否则执行步骤6)；

6)当前时隙结束网络节点进入到下一个时隙，从步骤3)处重新时隙的工作过程；

7)如果到了网络的时隙周期，则开始新的周期，执行步骤2)。

参看图2，网络节点根据要转发的数据包中提取目的节点编号信息，查找本节点和目的节点间的路径，如果存在路径的话就要判断下一跳是否为目的节点，是的话则信息经过一次转发到达终点，否则继续中继转发。找到路径后计算当前信道是否可以占用，如果不可以就要等待直到信道可用为止，如果信道可以使用则进行信道估计，计算当前的信噪比，如果信噪比不小于5dB，将当前发送功率设置为低，否则设置为高，将数据进行发送并记录，清除发送数据缓存区。

参看图3，网络节点在接收状态中如果收到其他网络节点的广播，首先查询当前的时隙分配信息表，找到当前占用时隙节点的列表项，然后将后续节点信息编号前移，并删除无用的列表项，如果本次广播通知本节点使用当前时隙的话，首先查询当前时隙分配信息表，找到本节点对应的位置，然后前移后续节点的列表项，并删除无用的列表项，如果时间已经到了设定的周期时间，则重新设置初始时隙分配表，即每个网络节点分别指定一个时隙。

参看图4，为改进的TDMA协议与TDMA协议浪费时间性能对比图，可以看出由于考虑的是平均浪费时间性能，将全网节点浪费时间平均到每个节点，因此当节点数目由2个依次增加到10个时，平均浪费时间保持不变。但改进的TDMA协议中，由于当时隙内无数据产生时，将空闲时隙让给下一节点，从而减小了时间的浪费，平均浪费时间较TDMA协议有了大幅度的降低。

参看图5，可以看出由于考虑的是平均吞吐量性能，将全网节点吞吐量平均到每个节点，因此当节点数目由2个依次增加到10个时，吞吐量不断减小。但改进的USN-TDMA协议中，由于减小了时间的浪费，降低了时间开销，同时发送的数据增多，平均吞吐量较TDMA协议要高。

参看图6，可以看出由于考虑的是平均能量消耗性能，将全网节点能量消耗平均到每个节点，因此当节点数目由2个依次增加到10个时，平均能量消耗保持不变。但改进的USN-TDMA协议中，由于提高了信道利用率，平均能量消耗要明显低于TDMA协议。

通过以上仿真结果及分析可以看出：考虑全网节点，在Tslot满足条件的情况下，改进的USN-TDMA协议较TDMA协议减小了时间的浪费，降低了时间开销，提高了信道利用率，在浪费时间、吞吐量、能量消耗等性能上得到了不同程度的优化。

仿真实施例：

参数设定：设节点数目NodeNum＝2、4、6、8、10，有数据的概率p＝0∶0.1∶1(概率p的取值从0-1，步长为0.1)，网络节点时隙长度Tslot＝5s，数据率R＝500bit/s，数据包长度FrameLen＝1024bits，控制包长度FrameCtrl＝30bits，网络节点间最大通信范围MaxDist＝1500m，水下声速Cspeed＝1500m/s，休眠功率Ps＝0.5w，发送功率Pt＝20w，广播功率Pg＝30w。

设定节点个数n＝2，4，6，8，10，计算全网络节点的性能变化。计算两种方法所产生的网络时间浪费性能，如图4。对比两种方法下网络吞吐量性能，如图5。计算并对比两种方法下的网络能量消耗，如图6。从上述图中可以看到所提方法在网络吞吐量、时间节省及能量消耗性能要优于传统实现方法，利用这种动态分配网络时隙的方法能使用户合理利用信道资源从而提高了网络的吞吐量，同时能有效延长网络生存周期。

Claims (1)

1.一种应用于水声通信网络的时分复用协议方法，其特征在于：网络中时隙的分配调整工作不依赖控制中心的分配，而是由网络中的成员节点分担，每个网络节点在初始时建立网络时隙分配记录信息，将时隙使用权和网络节点一一对应，在通信过程中依据邻节点信息动态调整时隙分配信息，更新时隙状态，当最后节点的时隙结束时重新开始下一轮工作过程，使信道上传输的数据只来自有数据需要传输的用户，提高信道利用率；即：如果一个网络节点在自己的时隙内没用数据要发送，则发布广播通知邻居节点，收到该广播的网络节点首先依据广播内容调整时隙记录信息，然后判断当前时隙是否为本节点使用时隙，是就占用当前时隙进行数据发送，否则进入数据接收状态；

包括以下步骤：

1)网络进行初始化，建立网络的拓扑结构；

2)网络所有节点在设定的时间进入时分复用状态，网络节点建立初始时隙分配信息；设控制包长度为FrameCtrl，单位bit，数据率为R，单位bit/s，广播功率为Pg，单位w，休眠功率为Ps，单位w，通信范围为MaxDist，单位m，传播速度为Cspeed，单位m/s，发送功率为Pt，单位w，数据包长度为FrameLen，单位bit；

计算3组时间值：

$T_1=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}\·\frac{\mathrm{Pg}}{\mathrm{Ps}}$

$T_2=\frac{\mathrm{FrameCtrl}}{R}+\frac{\mathrm{MaxDist}}{\mathrm{Cspeed}}$

$T_3=\frac{p\·\mathrm{FrameLen}\·\mathrm{FrameCtrl}}{R[p\·\mathrm{FrameLen}+(1-p)\·\mathrm{FrameCtrl}]}\·\frac{\mathrm{Pg}-\mathrm{Pt}}{\mathrm{Ps}}$

其中，p为概率，取值从0-1，步长为0.1；

将网络时隙划分时间Tslot与以上中的最大值进行比较，若：

Tslot＞max(T₁，T₂，T₃)，进入下一步骤；

3)网络所有节点进入分时处理过程，先判断当前时隙是否为本节点的发送时隙，如果是，则进入发送状态，执行步骤4)；否则，进入接收状态，执行步骤5)；

4)在本节点发送时隙内：

a)如果有数据需要发送，先判断该数据是自己产生的数据还是需要中继的其它节点的数据，再将数据发送出去，然后进入休眠状态，以节省能量消耗；执行步骤6)；

b)如果没有数据需要发送，则向全网广播，通知所有节点，将空闲时隙让给邻居节点点，然后进入休眠状态，以节省能量消耗，执行步骤6)；

5)在本节点接收时隙内：

a)先进入休眠状态，以节省能量消耗，当感知有信息需接收时，从休眠状态中被唤醒；

b)如果接收到数据，先判断该数据是自己的数据还是需要中继的其它节点的数据，如果是给自己的，就将该数据保存；

c)如果是需要中继的其它节点的数据，就将该数据暂存，等到自己的发送时隙时再发送；

d)如果接收到广播，节点根据广播内容调整发送时隙与节点编号，节点查询时隙分配记录信息，判断本节点是否能占用当前时隙，如果能够占用则执行步骤4)，否则执行步骤6)；

6)当前时隙结束，网络节点进入下一时隙，从步骤3)处重新开始下一个时隙；

7)如果到了网络的时隙周期，则开始新的周期，执行步骤2)。

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