CN102098093A - 一种用于水声通信网的tdma方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水声通信网的TDMA方法，在组网准备阶段，网络主节点测得它与各子节点的传播延时，并计算得到子节点发射延时值和接收时隙次序，在数据传输阶段，主节点周期地广播携带了延时值的同步帧，子节点根据延时值发射数据帧，实现了网内同一时刻可有多个子节点同时发射数据帧，并保证数据帧在主节点处被无碰撞地接收，通过在数据帧中添加标志信息以及在时隙周期中预留握手时隙，实现了对已有节点退出和新节点加入的灵活控制。本发明有益的效果：本发明可以根据活动节点的数量实时调整TDMA时隙数量和子节点的发射延时值，因而信道利用率被显著提高。

Description

一种用于水声通信网的TDMA方法

技术领域

本发明涉及水声通信网络接入领域，主要是一种用于水声通信网的TDMA方法。

背景技术

水声网络是在一定的水下区域内，通过各种传感器节点获取水下信息，并对水下节点进行水声通信和组网，最终通过特定的节点，重新以无线电和有线的形式把在覆盖区域中所获取的信息纳入岸上的常规网络，并发送给观察者的水下子网。随着人们对海洋数据收集、海洋资源开采、灾害预防、辅助导航、区域性水下警戒等应用需求的快速增长，水声通信网络技术引起了学术界和军事界的重视。

水声通信网络与陆上无线电通信网络有许多不同之处，其中一个重要的区别是水声传播速度比无线电波的传播速度低5个数量级。在无线电网络相关协议的研究中，一般忽略了传播延时，但在水声通信网络中，这显然是一个不可忽略的因素，将陆上无线电组网协议直接应用于水下，导致效率很低是可想而知的。

时分多址(TDMA)是一种典型的多址接入方式，一般应用在含有主节点的单跳通信场合，网络中的子节点通过使用时隙分时共享信道资源，该方式解决了网络节点间的数据碰撞问题，提高了效率。

由于水下节点没有GPS同步设备的支持，难以保证全网绝对时间同步，TDMA在水声网络中往往采用发射同步帧及设置发射延时的方法保持TDMA的时序同步。传统TDMA为了避免数据帧发生碰撞，需要大的时隙长度，每个时隙由数据帧和用于避免碰撞的空闲时间组成，水声信道的长传播延时特征使时隙中空闲时间所占比例很高，从而造成较低的信道利用率。此外，如果网络中某些节点由活动状态转入休眠，原先分配的时隙将被浪费，反之，休眠的节点如何重新加入网络，所以需要一套有效的控制方法来提高TDMA在水声网络中的信道利用率。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种用于水声通信网的TDMA方法，它主要应用于主节点与子节点单跳连接的集中式拓扑结构，以子节点向主节点汇集信息的场合，本发明的实现过程分为组网准备阶段和数据传输阶段，在数据传输阶段，一个周期内的时隙数量可以根据活动节点的数量而做自适应调整。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种用于水声通信网的TDMA方法，包括以下步骤：

(1)在组网准备阶段，主节点与各子节点间进行应答握手，测得它与各子节点的传播延时值τ_k，k＝1…N(N为子节点数量)，为了提高信道利用率，主节点通过延时算法，计算得到子节点发射延时值t_k和主节点的接收时隙次序；

(2)在数据传输阶段，主节点在每个周期的起始，发射同步帧，并将子节点发射延时值t_k携带在同步帧中，子节点在收到同步帧后，延时t_k时间后发射数据帧，数据帧将无碰撞地依次到达主节点，当前同步帧中还含有对前一周期数据帧的确认信息，因此同步帧兼有确认帧的功能；

(3)在子节点的数据帧中设置标志信息，用于标识在下一个传输周期中是否有数据需要发射，如果无数据的子节点希望退出网络，主节点根据该标志信息，删除相应的时隙并重新计算其它子节点的发射延时；

(4)将主节点的第一个接收时隙设置为预备时隙，希望加入网络的新节点在收到主节点的同步帧后，立刻回应一个约定的信号，该信号在第一个接收时隙内到达主节点，主节点根据测得的新节点的传播延时量，重新调整时隙数量和子节点发射延时，在下一个传输周期，主节点的同步帧中就含有新节点的发射延时值，这样新节点就可以加入网络。

作为优选，在于上述步骤(1)中的延时算法如下：设子节点数据帧到达主节点的时刻为U_k，有如下关系

$\left\{\begin{array}{cc}{U}_k=k\·T_{\mathrm{slot}}& \\ T_{\mathrm{slot}}=T_{\mathrm{data}}+T_g& k\∈[\mathrm{1,2},...,N]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，N是子节点数量，U_k是主节点为子节点分配的接收时隙的起始点，T_slot是时隙长度，T_data是数据帧长度，T_g是保护间隔，令集合U＝{U₁，U₂，…U_N}，并令u_k＝t_k+2τ_k+T_syn，T_syn是同步帧长度，τ_k是主节点到子节点的传播延时，通过循环搜索得到发射延时值t_k，使u_k是集合U中最小的元素，算法的具体步骤如下：

步骤1：初始化，k＝0，N′＝N；

步骤2：k＝k+1，如果k＞N，算法结束，否则，j＝0，并执行步骤3；

步骤3：j＝j+1，

如果j≤N′，并且t_k满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_j=\min \left\{U\right\}\\ t_k\≥0\end{array}\right.$

则有：t_k＝u_j-2τ_k-T_syn

如果j＞N′，则j＝0，并执行步骤4；

步骤4：将u_j从集合U中删去，N′＝N′-1，执行步骤2。

本发明有益的效果是：

(1)利用水声信道的长延时特征，设计子节点发射延时算法，合理安排子节点的发射延时和主节点的接收时隙次序，可使子节点发射数据帧的时刻重叠，而不必等到全网都安静下来后才发射数据帧，并保证主节点可以无碰撞地接收数据帧。

(2)能够满足网络中已有节点退出或新的节点加入的应用需要，具有节点退出或加入的可控机制，一个周期内的时隙数量可以根据活动节点的数量而调整。

(3)同步帧兼有确认帧的功能，提高了传输效率。

附图说明

图1是传统TDMA时隙图。

图2是UN-TDMA时隙图。

图3是信道利用率与时隙数量关系图。

图4是信道利用率与最大通信距离关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

网络协议的设计与拓扑结构密切相关，本发明主要考虑水声通信网络的一种典型应用环境，即网络采用主节点与子节点单跳连接的集中式拓扑结构，以子节点向主节点汇集信息的应用场合。

由于水下节点没有GPS同步设备的支持，难以保证全网绝对时间同步，水声网络的TDMA方式往往采用发射同步帧及设置发射延时的方法保持TDMA的时序同步。图1是一般TDMA方式时隙分配示意图，节点在各自的时隙内进行数据的发送与接收，主节点发射同步帧，同步帧中含有时隙分配信息，各节点收到同步帧后，延时至本节点发射时隙发射各自的数据帧。图1中所有时隙是等长度的，且等于数据帧的发射时间与主节点到最远子节点的传播延时之和，即：

T_slot＝T_data+τ_max  (1)

其中，T_data是数据帧长度，τ_max是最大传播延时，图1中τ_max＝τ₂，τ_k是主节点与各子节点之间的传播延时(k＝1，2，…，N，N是子节点数量)，可见，水声信道大的传播延时导致主节点的大量时间处于空闲状态，信道利用率很低。

观察图1所示TDMA时隙图，可以看出主节点信道留有较大的空闲时间，只要合理设计子节点的发射延时，在避免发生碰撞的前提下，信道的空闲时间是可以被压缩的，如图2所示，子节点发射数据帧的时间可以重叠，而没有必要在全网安静之后再发射数据帧。

下面具体描述UN-TDMA的工作过程，其工作过程分为组网准备阶段和数据传输阶段，在组网准备阶段，主节点通过与各子节点之间的应答握手，测得它与各子节点之间的传播延时τ_k，由主节点计算得到一组最佳的发射延时值t_k，所述的应答握手是指主节点发射一个约定的信号，子节点收到该信号后立刻返回一个约定的信号，主节点根据发信/收信往返时间得到两节点之间的传播延时值。在数据传输阶段，网络采用周期性的工作方式，主节点在每个周期的起始，发射同步帧，并将子节点发射延时值tk携带在同步帧中，子节点收到同步帧后，根据tk值延时发射数据帧，可使各子节点数据帧到达主节点时互不重叠。

下面给出发射延时值t_k的计算方法，假设子节点数据帧到达主节点的时刻为U_k，如图2所示，以主节点发射同步帧的时刻为时间轴0点，则有：

$\left\{\begin{array}{cc}{U}_k=k\·T_{\mathrm{slot}}& \\ T_{\mathrm{slot}}=T_{\mathrm{data}}+T_g& k\∈[\mathrm{1,2},...,N]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U_k是主节点为子节点分配的接收时隙的起始点，T_slot是时隙长度，T_data是数据帧长度，T_g是保护间隔，由于海洋声信道的时变性，导致节点间的传播延时时间会在一定的范围内起伏，为了避免频繁的测量延时时间，一般的做法是在前后时隙之间留有保护间隔，保护间隔的长度取决于延时起伏的大小，为了确保无碰撞的接收，保护间隔可以取网络中延时起伏的最大值。令集合U＝{U₁，U₂，…U_N}，并令u_k＝t_k+2τ_k+T_syn，T_syn是同步帧长度，通过循环搜索得到t_k，使u_k是集合U中最小的元素，通过循环搜索得到发射延时值t_k，使u_k是集合U中最小的元素，算法的具体步骤如下：

步骤1：初始化，k＝0，N′＝N；

步骤2：k＝k+1，如果k＞N，算法结束，否则，j＝0，并执行步骤3；

步骤3：j＝j+1，

如果j ≤N′，并且t_k满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_j=\min \left\{U\right\}\\ t_k\≥0\end{array}\right.$

则有：t_k＝u_j-2τ_k-T_syn；

如果j＞N′，则j＝0，并执行步骤4；

步骤4：将u_j从集合U中删去，N′＝N′-1，执行步骤2。

下面通过两个计算例进一步说明上述算法。

计算例1：假设数据帧长T_data＝3s，同步帧长T_syn＝0.2s，保护间隔T_g＝0.1s，传播延时分别为τ₁＝0.9s，τ₂＝0.7s，τ₂＝0.5s，则计算可得t₁＝1.1s，t₂＝4.6s，t₃＝8.1s，主节点的接收时隙依次配给子节点1、2、3。

计算例2：假设数据帧长T_data＝3s，同步帧长T_syn＝0.2s，保护间隔T_g＝0.1s，传播延时分别为τ₁＝1s，τ₂＝4s，τ₂＝2s，则计算可得t₁＝0.9s，t₂＝1.1s，t₃＝2s，主节点的接收时隙依次配给子节点1、3、2(如图2所示)，可见，为了压缩空闲时间，接收时隙并没有按节点ID号的顺序分配。

另外，如果仔细观察图2所示的计算例2，不必担心子节点2会在接收同步帧信号时接收来自子节点1的发射数据帧信号的干扰，因为子节点1的数据帧在到达子节点2时，子节点2已经完成主节点同步帧的接收，这是由三角形的两边之和大于第三边的几何关系决定的。

下面利用仿真计算，对比传统TDMA和UN-TDMA的信道利用率。信道利用率定义为传送周期内数据帧传输时间与传输周期时间之比，信道利用率计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{N\·T_{\mathrm{data}}}{(N+1)\·T_{\mathrm{slot}}}---\left(3\right)$

仿真参数：数据帧长T_data＝3s，同步帧长T_syn＝0.2s，保护间隔T_g＝0.1s，声速取1500m/s，传播延时等于节点距离与声速之比。

图3给出主节点与最远子节点距离固定时，信道利用率与时隙数量(节点数量)之间的关系，仿真时最远距离设为10km，可看出传统TDMA和UN-TDMA随着网络子节点数量的增加信道利用率趋于饱和，而UN-TDMA方法的饱和信道利用率明显高于TDMA方法。

图4给出的是网络子节点数量固定时，信道利用率与最大通信距离之间的关系，仿真时子节点数量设为10个，可看出UN-TDMA的信道利用率与通信距离(即传播延时)无关，但是传统TDMA的信道利用率随传播延时增大而下降。

复杂的信道传播环境导致水声通信的可靠性较低，这使得采用带确认帧的协议成为必然，一般来说，节点在收到数据帧后应当回应确认帧，将确认信息携带在同步帧中，使同步帧兼有确认帧的作用，即在当前同步帧中含有前一个周期内各数据的确认信息，这样做显然更有利于提高效率。

在数据传输阶段中，为了满足网络中已有节点的退出和新节点的加入的应用需要，本发明提供如下控制方法：

在子节点的数据帧中设置标志信息，用于标识在下一个传输周期中是否有数据需要发射，如果子节点希望退出网络，主节点根据该标志信息，删除一个时隙并重新计算其它子节点的发射延时。

将主节点的第一个接收时隙设置为预备时隙，希望加入网络的新节点在收到主节点的同步帧后，立刻回应一个约定的信号，该信号在第一个接收时隙内到达主节点，主节点根据测得的新节点的传播延时量，重新调整时隙数量和子节点发射延时，在下一个传输周期，主节点的同步帧中就含有新节点的发射延时值，这样新节点就可以加入网络。

当存在预备时隙时，前面描述的发射延时值的计算方法仍然适用，只需将计算得到的各子节点的发射延时值退后一个时隙。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于水声通信网的TDMA方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)在组网准备阶段，主节点与各子节点间进行应答握手，测得它与各子节点的传播延时值τ_k，k＝1…N，N为子节点数量，主节点通过延时算法，计算得到子节点发射延时值t_k和主节点的接收时隙次序；

(2)在数据传输阶段，主节点在每个周期的起始，发射同步帧，并将子节点发射延时值t_k携带在同步帧中，子节点在收到同步帧后，延时t_k时间后发射数据帧，数据帧将无碰撞地依次到达主节点，当前同步帧中含有对前一周期数据帧的确认信息；

(3)在子节点的数据帧中设置标志信息，用于标识在下一个传输周期中是否有数据需要发射，如果无数据的子节点希望退出网络，主节点根据该标志信息，删除相应的时隙并重新计算其它子节点的发射延时；

(4)将主节点的第一个接收时隙设置为预备时隙，希望加入网络的新节点在收到主节点的同步帧后，立刻回应一个约定的信号，该信号在第一个接收时隙内到达主节点，主节点根据测得的新节点的传播延时量，重新调整时隙数量和子节点发射延时，在下一个传输周期，主节点的同步帧中就含有新节点的发射延时值，达到新节点加入网络的目的。

2.根据权利要求1所述的用于水声通信网的TDMA方法，其特征是：所述的延时算法如下：设子节点数据帧到达主节点的时刻为U_k，有如下关系

$\left\{\begin{array}{cc}{U}_k=k\·T_{\mathrm{slot}}& \\ T_{\mathrm{slot}}=T_{\mathrm{data}}+T_g& k\∈[\mathrm{1,2},...,N]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，N是子节点数量，U_k是主节点为子节点分配的接收时隙的起始点，T_slot是时隙长度，T_data是数据帧长度，T_g是保护间隔，令集合U＝{U₁，U₂，…U_N}，并令u_k＝t_k+2τ_k+T_syn，T_syn是同步帧长度，τ_k是主节点到子节点的传播延时，通过循环搜索得到发射延时值t_k，使u_k是集合U中最小的元素，算法的具体步骤如下：

步骤1：初始化，k＝0，N′＝N；

步骤2：k＝k+1，如果k＞N，算法结束，否则，j＝0，并执行步骤3；

步骤3：j＝j+1，

如果j≤N′，并且t_k满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_j=\min \left\{U\right\}\\ t_k\≥0\end{array}\right.$

则有：t_k＝u_j-2τ_k-T_syn；

如果j＞N′，则j＝0，并执行步骤4；

步骤4：将u_j从集合U中删去，N′＝N′-1，执行步骤2。

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