CN102264115A

CN102264115A - 一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法

Info

Publication number: CN102264115A
Application number: CN2010101947299A
Authority: CN
Inventors: 隋天宇; 李宇; 黄海宁; 张春华
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明提供一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+1层节点；传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信息。本发明还提供了相应的拓扑初始化方法。本发明满足稀疏布放方式的要求；每个节点都有可靠的数据上传链路；不需要进行精确的同步与定时；可适用于不规则的网络形状。

Description

一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法

技术领域

本发明涉及传感器网络技术领域，具体地说，本发明涉及一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。

背景技术

传统陆地用无线传感器网络是由部署在检测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的具有一定拓扑结构的自组织系统，它具有自组织性、动态性、以数据为中心、与应用密切相关等特点。无线传感器网络中的节点可以采用各种类型的传感器(如声、光、电、热传感器等)，就接入媒体而言，传统陆地用无线传感器网络大都以大气为接入媒体，并且普遍采用电磁波作为传输数据的载体。就拓扑结构而言，目前无线传感器网络主要有星型网络、点对点网络、自组织网络与分簇网络。上述现有的各种拓扑结构的都难以适应水下应用环境。其原因如下：

1、水声传感器网络节点造价较高，每个节点都要负责尽可能大的检测面积，因此大多采取稀疏布放方式。在稀疏布放方式中，水声传感器网络中每个节点只能与少数的相邻节点通信。而现有技术中的星型网络、点对点网络、自组织网络等拓扑结构都要求网络中任意两个节点均可进行通信，因此它们均不满足稀疏布放方式的要求。

2、由于采取稀疏布放方式，水声传感器网络中的各节点数据之间的相关性很小，几乎没有冗余数据，因此需要保证每个节点都有可靠的数据上传链路。现有的分簇网络中，一定范围内的节点会自发地选举产生一个簇头节点，并由簇头负责本簇的对外通信。然而，当采用稀疏布放方式时，不能保证每个所选举出的簇头节点都有可靠的数据上传链路，因此分簇网络也不满足稀疏布放方式的要求。

3、在陆地无线传感器网络中，信号在空气中以光速传播，收发时延很小，一般可以忽略。而在水下则只能利用声信号进行信息的传输，其网络节点间传输时延较大，因此难以实现精确的定时与全网时间同步。

4、在水下声传感器网络中，由于自然环境因素，传感器节点的位置会受到较大的扰动，因此难以形成稳定的规则网络形状(如正方形、三角形网络等)，这就对水下传感器网络对自组织能力提出了更高的要求。

综上所述，目前的无线传感器网络无法适用于水下应用环境，当前迫切需要一种能够适用于水下应用环境的传感器网络系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于水下应用环境的水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，其中，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离(即有效通信范围)以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+1层节点，其中i＝1，2，3......，即i为正整数，第i层节点是第i+1层节点的上层节点；

所述传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发该节点所接收到的由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；

所述汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信息。

其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带包括第一、第二、第三数据信息频带；若某个节点层次为N，满足N mod 3＝0，则该节点为1类节点(mod为取余数运算)，满足N mod 3＝1，则该节点为2类节点，满足N mod3＝2则该节点为3类节点，1类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信分别采用第一、第二、第三数据信息频带。

其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带还包括控制信息窄带，各节点之间的控制信息(在某些情况下)可以使用控制信息窄带进行传输。

其中，当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将其中一个上层节点确定为父节点，并确定另外的上层节点为伪父节点，该节点优先通过其父节点上传数据。

其中，当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，判断各下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比所述下层节点的父节点高，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点为自己的子节点；当自己的优先级比所述下层节点的父节点低，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点是自己的伪子节点。

其中，每个传感器节点均在本地保存该传感器节点的局部拓扑信息，所述局部拓扑信息包括：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。

其中，所述汇聚节点数目大于1，每个汇聚节点控制的传感器网络系统的一个区域；所述传感器节点在本地保存的局部拓扑信息包括：区域内伪父节点编号，区域内伪子节点编号，区域间伪父节点编号，以及区域间伪子节点编号及数量。

本发明还提供了一种水声传感器网络系统的拓扑初始化方法，包括下列步骤：

1)汇聚节点发出拓扑生成帧，所述拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；

2)传感器节点接收到所述汇聚节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息，并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；

3)传感器节点接收到其它传感器节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息，并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；

4)步骤3)不断重复直至所有传感器节点的局部拓扑信息更新完毕；所述局部拓扑信息包括：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。

其中，所述步骤3)中，在更新本地的局部拓扑信息后发送拓扑生成回复包，拓扑生成回复包携带父节点编号，子节点编号以及子节点层数信息，上层节点根据拓扑生成回复包更新其局部拓扑信息中的子节点与伪子节点信息。

其中，所述步骤3)中，传感器发送新的拓扑生成帧前需等待一定时间，以使所有可通信上层节点的拓扑生成帧均接收完毕。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明中每个节点只需要与少量的相邻节点通信，满足稀疏布放方式的要求；

2、本发明中每个节点都有可靠的数据上传链路；

3、本发明不需要进行精确的定时与全网时间同步；

4、本发明对网络形状没有特殊要求，可适用于各种不规则的网络形状。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的层次型拓扑传感器网络示意图；

图2为本发明一个实施例中的多路径转发示意图；

图3为本发明一个实施例中优先级规则示意图；

图4为本发明一个实施例中TOPO INIT帧结构示意图；

图5为本发明一个实施例中TOPO ACK帧结构示意图；

图6为本发明一个实施例中节点发送数据的状态转移示意图；

图7为本发明一个实施例中READY帧结构示意图；

图8为本发明一个实施例中COMPETE帧结构示意图；

图9为本发明一个实施例中CTS帧结构示意图；

图10为本发明一个实施例中STOP帧结构示意图；

图11为本发明一个实施例中ACK帧结构示意图；

图12为本发明一个实施例中RTS帧结构示意图；

图13为本发明一个实施例中DATA帧结构示意图；

图14为本发明一个实施例中FINISH帧结构示意图；

图15为本发明一个实施例中节点接收数据的状态转移示意图；

图16为本发明一个实施例中的传感器网络的工作周期示意图；

图17为本发明一个实施例中数据传递方向示意图；

图18为本发明一个实施例中数据传输阶段子节点向父节点发送数据的流程图(采用接收端控制碰撞模式)；

图19为本发明一个实施例中数据传输阶段子节点向父节点发送数据的流程图(采用发送端控制碰撞模式)；

图20为本发明一个实施例中数据传输阶段父节点接收子节点数据的流程图(采用接收端控制碰撞模式)；

图21为本发明一个实施例中数据传输阶段父节点接收子节点数据的流程图(采用发送端控制碰撞模式)；

图22为本发明一个实施例中一种信息帧频带划分方案示意图；该方案中将整个频带分为数据信息频带和控制信息窄带；

图23为本发明一个实施例中含有多个汇聚节点网络的示意图；

图24为本发明一个实施例中另一种信息帧频带划分方案示意图；该方案中不含专门的控制信息窄带；

图25为本发明一个实施例中拓扑初始化阶段节点的处理流程示意图；

图26为本发明一个实施例中的信息帧频带分配方案示意图；

图27为本发明一个实施例中接收端控制碰撞模式与发送端控制碰撞模式的性能对比示意图；

图28为本发明一个实施例中各信息帧的重要程度和重传次数的示意图；

图29为本发明一个实施例中区域内层次问题的第一种情况，同层次节点间拓扑初始化信息的处理方式的示意图；

图30为本发明一个实施例中区域内层次问题的第二种情况，在某些节点损坏情况下造成的初始化问题处理方式的示意图；

图31为本发明一个实施例中区域内层次问题的第三种情况，一种特殊条件下造成的初始化问题的处理方式的示意图；

图32为本发明一个实施例中区域间边缘节点的示意图；

图33为本发明一个实施例中两区域节点对边缘节点进行拓扑初始化的示意图；

图34为本发明一个实施例中当传输过程中产生干扰情况时的处理方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种水声传感器网络系统，该水声传感器网络系统是节点层次型布放的水下数据采集网络，它包括汇聚节点和普通传感器节点(下文中简称传感器节点)。

其中，汇聚节点是具有较强处理能力，能够将普通的传感器节点发过来的数据进行融合并以一定方式(如有线、射频等)传送给上级接收单位(如水面船只等)的节点，一般由有线或无线发射模块、水下声通信模块、信息处理与存储模块、能量供应模块等组成。

传感器节点是可以将待探测的水下信息(如温度、盐度深度等)转换为数字信号并由水下声信道传递给上层节点或汇聚节点的节点，传感器节点可以由传感器模块、处理器模块、水下声通信模块和能量供应模块组成。

如图1所示，本实施例的水声传感器网络系统以汇聚节点为中心部署各传感器节点形成层层包围型网络。为使图面清楚，图1中仅简单地用同心圆来表示层次关系，实际上，各节点的层次按下列方法判定：汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+1层节点，其中i为正整数，即i＝1，2，3......，上层节点是层号较小的节点。应当理解，在节点布放位置较为准确时，上述判定规则形成的层次关系与图1所示的同心圆型层次关系是相同的。

由于水下声网络的节点成本很高，所以只能稀疏布放，以求有最大的覆盖面积。因此，本实施例层与层之间的划分准则为：相邻层次可以直接通信，且非相邻层次(不包括同层)无法直接通信。可以通过控制节点之间距离以及节点功率实现上述准则。比如，可以先设定每个节点的功率阈值，对于任一节点，在接收到水声信号后，如其功率低于所述功率阈值，则丢弃该水声信号。由于水声信号随着距离的增加而衰减，因此传感器网络中的每两个节点之间都会自然形成水声通信极限距离，当两个节点间的距离小于等于水声通信极限距离时，这两个节点能够直接通信，二者为相邻节点，当两个节点间的距离大于水声通信极限距离时，这两个节点不能直接通信，二者为不相邻节点。本实施例中，节点之间距离较远(一般相距千米以上)，属于稀疏网络，不同节点所采集的数据相关性较小，数据没有冗余，即每个节点都需要将数据传送给汇聚节点，并且每个节点需要传送的数据量较大。同时，传感器节点存在能量供应不足的问题，所以应尽量减少信号碰撞造成的通信中断，以节省能源。

本实施例的水声传感器网络系统采用突发性连续工作方式。节点大多数时间处于休眠状态。当开始工作时，汇聚节点首先向全网发送指令，将所有节点唤醒，并启动传感器收集数据(如温度、盐度、深度等)。每个节点都要将该节点所收集的数据传递给汇聚节点。当网络中所有节点的数据全部完成传输后，所有节点进入休眠状态。

下面分7个部分详细介绍本实施例的水声传感器网络系统的各个方面。这6个部分分别是：拓扑结构、媒体接入控制(MAC)方法、转发方式及转发优先级的确定方法、总体工作流程、拓扑初始化方法、数据传输方法以及关于特殊问题的讨论。

一、拓扑结构

本实施例采用了分层次拓扑结构。如图1所示，本实施例的层次型网络包含2种节点：汇聚节点与普通的传感器节点。整个网络可以根据实际情况部署多个汇聚节点，每个汇聚节点固化各不相同的区域信息以便在拓扑生成时将每个传感器节点划归到正确的区域中。本实施例还可以以各汇聚节点为中心，形成多个小规模层次型网络，如图23所示。边缘节点可根据本实施例中的子节点、父节点的优先级原则(这一部分将在下文中描述)归属到特定的网络范围之内。

本实施例中，规定汇聚节点为第0层，与之相邻的下一层可通信节点为第1层，与第2层相邻的下一层可通信节点为第2层，依次类推。如图1所示，层与层之间分隔的标准如下：

利用通信的距离做为划分层次的标准，通信距离的度量就是接收机信号的强度。假设各节点发射机的型号相同且能源供应充足，从而各节点发出的水声信号强度大体相同，设为A。在接收端，信号经过水声信道传输后会有所衰减，衰减的大小为距离的函数。在接收端的信号强度可以表示为：

A_r＝A_t×A_l

其中，A_r是接收节点收到的幅度，A是发射节点发出的信号幅度，A_l代表传播过程中的幅度的减小系数，该系数是两节点间距离的函数。

在拓扑形成过程中，当A_r的幅度小于某个预先设定的门限值时，接收节点将不对此信号做任何处理，这就保证了拓扑结构中相邻两层之间的节点通信都处于可以保证的可靠的范围之内。

二、媒体接入控制(MAC)方法

本实施例采用基于竞争的媒体接入方式，允许节点按需争用信道。争用信道的机制采用类似MACA的RTS、CTS握手方式，但根据水声信道的特点进行了相应改进。

(1)本实施例中，层与层之间的通信采用分层频率分割机制。各层之间通信(主要是指数据上传)所使用的频带被划分为三段，分别为第一、第二、第三数据信息频带，具体规划如图26所示。

其中1类节点的层次满足(设节点层次为N，mod为取余数运算)

N mod 3＝0；

2类节点的层次满足

N mod 3＝1

3类节点的层次满足

N mod 3＝2

1类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信分别采用第一、第二、第三数据信息频带。

本实施例中，对于出现频率最高的3种帧：RTS、CTS、ACK，可以按规则单独划分出窄带进行传输，该窄带称为控制信息窄带，其划分方式如图22所示。

值得说明的是，本实施例中的控制信息窄带是可以取消的，此时RTS、CTS、ACK帧可直接使用相应的数据信息频带进行传输。不采用控制信息窄带传输的分层频率分割机制的频率分割法如图24所示，频带规划如图26所示。

在频带资源不很紧张时，可以设置控制信息窄带，这样可以使同层节点在接收时互不干扰，在很多情况下同层节点可以同时工作。

在频带资源紧张时，可以不设置控制信息窄带。此时，由于同层节点向下层发送的控制信息与下层节点发来的数据信息在同一频段，会发生干扰，所以同层的在相互通信范围内的节点无法同时工作。

本实施例的媒体接入控制方案可以采用发送端控制碰撞方案，也可以采用接收端控制碰撞方案(具体内容将在下文中详细介绍，二者性能对比可参见图27)。当采用发送端控制碰撞时，必须设置控制信息窄带。

(2)本实施例根据网络的特点采用选择重传ARQ(AutomaticRepeat-reQuest)机制，该机制中，数据发送方发送完数据后不会立刻将该数据销毁，而是存入一个缓存。当接收方收到的所有帧都正确时，判断接收成功，此时才将缓存清空；当接收端检测到某个帧出现错误或丢失了某些帧时，将错误帧或丢失帧的序号发送给数据发送方，发送方重发这些的数据帧。相应的，发送方在没有接到接收方的确认信息或确认信息序号跳跃的情况下，将重传这些没有被确认的信息帧。

(3)本实施例还需要设置发送窗口。

发送窗口就是发送端在没有得到接收端确认的情况下允许发送的数据信息帧个数。为充分利用信道，本协议采用下述公式计算发送端窗口的大小。

N_{tw} = \frac{{2 D}_{est} + V_{s} T_{g}}{V_{s} (t_{p} + t_{g})}

其中N_tw，是发送窗口大小；D_est是发送节点与接收节点间的距离，可以通过接收信号的强度估算出来；V_s是声音在网络所工作水声环境中的传播速度；T_g是为了避免由于估算不准确而引入的保护时间间隔，根据具体情况赋值；t_p是发送一帧数据所用的时间；t_g是发送两帧数据中间的间隔时间，根据具体情况赋值。

(4)本实施例具有发送方超时重传机制。发送方在发送每一数据帧时都启动重传计时器进行倒计时。协议规定在下述两种条件任何一种满足时重传数据帧：1、在没有接到某个序号(X)数据帧的ACK并且该帧的重传计时器值减为0；2、跳跃序号接到了其他帧的ACK，并且ACK中携带了序号为X的帧的重传信息(ACK的帧结构见图11)。在优选实施例中超时重传的次数设定为5次。如果超过5次后还没接到回复ACK，就认为通信链路被切断，将错误记录并报告给上层控制程序。本实施例的重传计时器的初始值用如下公式计算：

T_{left} = \frac{{2 D}_{est} + V_{s} T_{g}}{V_{s}}

其中，T_left是重传计时器的初始值，D_est是发送节点与接收节点间的距离，可以通过接收信号的强度估算出来；V_s是声音在网络所工作水声环境中的传播速度；T_g是为了避免由于估算不准确而引入的保护时间间隔，根据具体情况赋值。

(5)本实施例对控制信息进行冗余传输。为确保重要控制信息的正确传输与处理，同时兼顾网络资源的合理利用，本实施例对不同的信息帧进行重要性分类，以此为依据决定重复传送的次数，本实施例中所采用的具体实施方法可参见图28。两个冗余传输的控制帧的时间间隔根据网络间节点的平均距离及所要传送的控制帧帧长确定。其最小值与最大值根据如下公式计算：

minT_sep＝2t_p

maxT_sep＝3t_p

其中，t_p表示传送某种控制帧所用的时间。具体实施时，产生minT_sep与maxT_sep之间的随机数，作为冗余传输控制帧的时间间隔。

三、转发方式及转发优先级的确定方法

本实施例中，每个节点只能与相邻层的节点通信，所以下层节点如果想将信息传输给汇聚节点就必须经由上层节点的转发，即在网络工作过程中第N层节点力争将数据信息传递给第N-1层节点。

如图2所示，由于层次型拓扑结构的特点，在大多数情况下每一个节点可以与2个或多个上层节点进行通信，为避免信道冲突和节省资源，有必要通过一定的优先级规则指定承担转发任务的节点。

下面简要介绍本实施例进行数据转发的一系列规则：

1、网络中每一个节点都有唯一的节点编号。

2、在同一层节点中，节点编号越小，优先级越大。

3、在争用信道的过程中，父节点优先级较大的通信请求将被允许使用信道。

4、在争用信道的过程中，处于准备接收状态的节点要判断自己的同层节点中是否有比自己优先级高的，如果有，则延迟一段时间发送COMPETE或CTS帧，以保证高优先级节点的通信。详细内容参看下文中数据传输方法部分的关于父节点准备接收状态的说明。

5、在相邻两层节点中，发出数据与接收数据的节点分别称为对方的子节点与父节点，即子节点发出的数据由父节点负责转发。

6、当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将节点编号较小的那一个称为父节点，同时认定另外的上层节点为伪父节点，如图3所示。

7、若某个节点同时与两个或多个同区域不同层次的节点相邻时，只认定节点层次最小的为父节点，以保证信息传输路径最短。

8、区域间传输过程中，区域间伪子节点有更高的优先级。

9、节点对已经与自己建立过拓扑层次关系的节点发来的拓扑初始化信息不进行处理，以免发生重复初始化现象(此情况出现是由于网络布局不合理或节点损坏导致的“螺旋”初始化现象)。

10、当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，通过局部拓扑信息的传递(该过程在拓扑结构初始化阶段完成)判断下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比另一个同层节点高时(编号较小)，认为该下层节点为子节点；反之认为其是伪子节点。

11、在区域内传输过程中，区域内伪子节点的传输有更高的优先级。

12、在传输过程中，若出现两同层节点用同一频段发送信息时，节点编号较小的有更高的优先级。

13、区域间节点的所属区域被第一个接收到的拓扑生成信息所确定。

14、当传输时，子节点只有在判断父节点与所有伪父节点、区域内伪子节点的信道均空闲时才可发出信道争用请求。

15、某两个节点从建立合理的通信链路开始，直到通信过程结束拥有最高的通信优先级，不被其它节点会被打断。

16、根据传感器网络以数据为中心的特点，本协议将不注重各节点争用到信道的公平性。

四、总体工作流程

根据本实施例，针对“节点层次型布放网络”，按照上一部分所述的规则制定网络协议，该协议的工作与网络的工作方式密切相关。

在网络协议中，每个节点工作的时间周期如图16所示。从图16中可以看出，本实施例的传感器网络的工作过程主要分为拓扑初始化阶段和数据传输阶段。下面分别介绍：

1、拓扑初始化阶段

在该阶段，网络中的汇聚节点发出唤醒信号，接到该信号的节点记录下相关的信息，返回应答信息；同时产生自己的唤醒信号向下一层节点发出，并接收应答信息。依此类推，直至全网的所有节点都被唤醒。在这个唤醒过程中，网络中的各节点根据接收到的唤醒信号中携带的拓扑信息建立起如图1所示的分层次的网络拓扑结构。

2、数据传输阶段

在数据传输阶段，网络中各节点的任务是要将自己本身要传输的信息以及接到的下层传输上来的信息全部传至上层节点。整个网络的信息传递方向如图17所示。需要说明的是，每个节点只把信息传送给父节点，而对每个子节点而言，父节点是唯一的。

在数据传输阶段，一个节点对其下层来说是父节点，对其上层来说是子节点。由于采用了分层频率分割、控制信息窄带传输机制，对某一个节点来说接收下层节点的信息与对上层节点发送信息可以看成两个完全独立的过程。另外，本发明可以采用接收端控制碰撞模式和发送端控制碰撞模式两种工作模式。其中，图18示出了数据传输阶段接收端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的过程。图19示出了数据传输阶段发送端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的过程。图20示出了数据传输阶段接收端控制碰撞模式下某节点接收其子节点的信息的过程。图21示出了数据传输阶段发送端控制碰撞模式下某节点接收其子节点的信息的过程。数据传输阶段的具体内容将在下文中详细介绍。

五、拓扑初始化方法

拓扑初始化阶段的节点处理流程如图24所示。某时刻开始，汇聚节点通过无线信道发送拓扑生成(TOPO_INIT)帧，其作用是在网络部署完成后形成自适应的网络拓扑。TOPO_INIT帧格式如表1所示：

表1

字段名	作用
		fun	功能字段，固定为0
layer	指示接收到该信息的节点所在层数，其值为发送节点层数加1
		parent_id	父节点的编号

接收节点对该帧处理包括以下几个步骤：

1、当节点接收到第一个TOPO_INIT帧时，取出layer字段的值作为自己的层数信息；保存parent_id字段值作为自己的父节点编号；保存region字段的值为自己的域编号。

2、如果接收到同区域节点发出的TOPO_INIT帧的layer字段的值是本节点所在层数加1，那么判断接收到了同层节点发给下层节点的信息。此时将parent_id字段中的值储存在同层节点表中。

3、生成新的拓扑生成帧，通过正确的频率信道发送给下层节点。fun字段赋0，layer字段赋本节点所在层数加1，parent_id字段赋本节点自己的编号，region字段赋本节点所在域的编号。新的拓扑生成帧并不是马上发给下层节点，而是在等待一段保护时间后再发出，目的是要等待接收到所有的上层节点的拓扑生成帧都经过处理后再发出。

4、生成拓扑生成回复包(TOPO_ACK)，并通过正确的频率信道发还给上层节点，上层节点根据其中的信息更新子节点与伪子节点列表。

5、如果收到同区域节点发出的更高优先级(节点编号较小)的上层节点发来的TOPO_INIT帧，那么就将之前的父节点识别为伪父节点，新接收到的上层节点识别为父节点。并重复第4步，更新第3步。

6、在已经接收到一个或多个同区域TOPO_INIT帧前提下，若新收到的TOPO_INIT帧layer字段值大于本节点的层数且与本节点同区域，说明此时遇到了区域内的层次问题。此时查看子节点列表，若该节点在子节点列表中，直接丢弃该帧；若该节点不在子节点列表中，将parent_id字段存储在“区域内伪父节点列表”中。

7、在已经接收到一个或多个同区域TOPO_INIT帧前提下，若新收到的TOPO_INIT帧layer字段值小于本节点的层数且与本节点同区域，说明此时遇到了区域内的层次问题。查看“区域内伪子节点列表”，若表中有该节点，那么直接丢弃此帧；若表中没有，将父节点列表中原有的信息转移至“区域内伪父节点列表”中，本节点的层数信息更新为layer字段值，相应将parent_id字段储存在父节点列表中，并重复第4步，更新第3步。

8、在当接收到不同区域的TOPO_INIT帧时，说明该节点属于“区域间节点”，立即停止向下层发送TOPO_INIT帧。此时将该帧的parent_id字段储存在“区域间伪父节点列表”中。

拓扑生成回复帧(TOPO_ACK)格式如表2所示：

表2

字段名	作用
		Fun	功能字段，固定为1
child_id	子节点编号
		child_layer	子节点层数信息
parent_id	父节点编号
		region	区域信息

上层节点接到该帧后将取出child_id字段值，并识别其为自己的子节点。有可能发生以下几种情况：

(1)接到的帧为同区域且parent_id字段是自己的节点号，那么识别其为子节点，若该节点编号存在于其他任何节点列表中，予以删除，并将该节点的信息储存在子节点列表中。

(2)接到的帧为同区域且parent_id字段不是自己的节点号，查看child_layer字段值，分三种情况讨论：第一，若该值与自己的网络层次信息相等，将帧的发出者储存在同层节点列表中。第二，若该值与自己的网络层次信息减1相等，将帧的发出者储存在“伪子节点列表”中。第三，若该值与自己的网络层次信息减1不等，说明发生了区域内层次问题。此时将该值与自己的网络层次信息减1进行比较，若前者较小，说明下层节点已经找到了优先级更高的父节点，该下层节点编号储存在特殊的“区域内伪子节点列表”中；若前者较大，说明该下层节点还没有接收到自己的拓扑初始化信息，或还没有做出回应，继续等待。

(3)接到的帧为不同区域时，说明本节点属于“区域间节点”，此时将该帧的child_id字段储存在“区域间伪子节点列表”中。

按照上述步骤进行拓扑初始化后，每个节点都记录了局部的拓扑信息：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，通信范围内的同层节点编号及数量，区域内伪父节点、区域内伪子节点、区域间伪父节点、区域间伪子节点及数量。

六、数据传输方法

在数据传输阶段，一个节点对下层来说是父节点，对上层来说是子节点。由于采用了分层频率分割、控制信息窄带传输机制，对某一个节点来说接收下层节点的信息与对上层节点发送信息可以看成两个完全独立的过程。另外，本发明可以采用接收端控制碰撞模式和发送端控制碰撞模式两种工作模式(二者均为MAC层控制碰撞方式)。其中，图18示出了数据传输阶段接收端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的过程。图19示出了数据传输阶段发送端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的过程。图20示出了数据传输阶段接收端控制碰撞模式下某节点接收其子节点的信息的过程。图21示出了数据传输阶段发送端控制碰撞模式下某节点接收其子节点的信息的过程。下面分别介绍子节点发送数据和父节点接收数据的方案。

6.1、子节点发送数据

在数据传输阶段，发出数据的子节点有三种状态：等待传输状态、传输状态、完成状态。各状态之间的转移条件如图6所示。下面就按照这三种状态来分析数据传输阶段子节点的情况以及该节点在两种控制碰撞模式下的处置方法。

状态一：等待传输状态。处于这个状态的节点有剩余的数据要传输。此时节点有可能收到的帧的种类有：RTS、DATA、READY、COMPETE、CTS、STOP、重传和ACK；可能发出的帧是RTS。其中，READY帧的结构和各字段意义如表3所示：

表3

字段名	作用
		fun	功能字段，固定为2
layer	父节点层信息
		parent_id	父节点编号
region	区域信息

COMPETE帧的结构和各字段意义如表4所示：

表4

字段名	作用
		fun	功能字段，默认为10
layer	父节点层信息
		parent_id	发出COMPETE帧的父节点编号

CTS帧的结构和各字段意义如表5所示：

表5

字段名	功能
		fun	功能字段，默认为4
layer	发送节点层信息
		des_child_id	目的子节点编号
res_parent_id	发出CTS帧的父节点编号

STOP帧的结构和各字段意义如表6所示：

表6

字段名	功能
		fun	功能字段，默认为5
layer	发送节点层信息
		des_child_id	目的子节点编号
res_parent_id	发出Stop帧的父节点编号

ACK帧的结构和各字段意义如表7所示：

表7

字段名	功能
		fun	功能字段，默认为8
layer	发送节点层信息
		des_child_id	目的子节点编号
recv_seq	确认的帧序号
		retrans_info	需要重传帧的相关信息
NAV	信道占用时间指示信息

RTS帧的结构和各字段意义如表8所示：

表8

字段名	功能
		fun	功能字段，默认为6
layer	发送节点层信息
		data	数据
des_parent_id	目的父节点编号
		res_child_id	源子节点编号
seq	发送序号
		NAV	信道占用时间指示信息

具体地，在等待传输状态下，节点按照下列方法工作。

若收到RTS帧，验证该帧的发出者。若发出者的优先级比自己高，就将相应的信道标记为繁忙，并推迟发送RTS。

若收到DATA帧，验证该帧的发出者。若发出者的优先级比自己高，就将相应的信道标记为繁忙，并推迟发送RTS。

READY帧的作用是通知下层节点工作正式开始，相当于初始的CTS。READY帧的收发使来自汇聚节点的开始工作信息快速传遍全网。接到该帧的子节点做两件工作：

1、生成自己的READY帧，发送给下层节点，通知它们通信开始.

2、如果有信息要传送，那么就生成RTS帧，在发送条件满足时发送给上层节点，该帧的作用是通知父节点自己已经准备好传输输数据，请求接入信道。

3、当节点属于“区域间节点”或没有子节点时，不执行上述第1点。

CTS帧的作用是父节点通知子节点信道争用成功，可以发送数据帧。接收到CTS帧的节点会做如下工作：

1、验证该帧的发出者，如果是父节点发给自己的，那么就立即发送数据。

2、如果是父节点发给其它子节点的，表示信道争用失败，将父节点状态设为繁忙。

3、如果是伪父节点发来的，说明伪父节点将要传输数据，那么伪父节点状态设为繁忙。

STOP帧的作用是父节点收到了优先级更高的伪子节点发来的RTS，必须通知自己的子节点停止传输数据。接收到STOP帧的节点会做如下工作：

1、验证帧的发出者，如果是父节点发来的，说明有更高优先级的节点发出了数据请求，将父节点状态设为繁忙。

2、如果是伪父节点发来的，说明伪父节点已经停止数据传输，所以将伪父节点状态设为空闲。

ACK帧是父节点在成功接收到了子节点发来的数据帧后的确认信息。当节点在等待传输状态接到了ACK时，有两种情况：父节点发来的，或伪父节点发来的，这时节点监听到了信道是繁忙的，将相应的信道状态设为繁忙即可。如果接到父节点或伪父节点的COMPETE帧，并且检测当前所有信道无信号传输，则将相应的信道状态设为空闲。父节点和伪父节点都处于空闲状态，即表明相应的信道当前处于空闲状态。

以上也是两种控制碰撞模式的相同部分，即不论网络处于哪种碰撞模式，节点在等待传输状态下均按上述方式工作。而下面是两种控制碰撞模式下节点工作方式的不同部分：

在接收端控制碰撞模式下，COMPETE帧的作用是父节点通知子节点信道已经处于空闲状态，可以发出RTS帧。接到COMPETE帧的节点会做如下工作：

1、检查“parentid”字段，如果是父节点发来的，就将父节点状态设为空闲，表示可以争用。如果是伪父节点发来的，就将伪父节点状态设为空闲。

2、如果父节点与伪父节点都处于空闲状态，就发出RTS帧争用信道。

3、若节点属于“区域间节点”，且没有应用“控制信息窄带传输方式”，且该节点的“区域间相邻节点”所在层数与自己相同或相差3的整数倍(利用相同的频率信道进行信息传输)，那么在2的条件满足的同时还要查询“区域间相邻节点”的优先级以及是否处于空闲状态。当该节点的优先级比所有其他“区域间相邻节点”都高时(编号最小)，那么立即发出RTS争用信道；当该节点的优先级不是最高时，在高优先级的“区域间相邻节点”都处于空闲状态时立即发出RTS争用信道。

在发送端控制碰撞模式下，不同点主要有4个：

1、COMPETE帧取消。

2、与MACA的虚拟载波监听机制类似，节点维护一个NAV值，该值的作用是指示当前信道中的传输过程还有多长时间可以结束。

3、在该工作模式下，节点发送RTS的条件变为：当前信道检测为空闲并且NAV值为0。

4、在该工作模式下，DATA、ACK两种帧携带有特殊的“NAV”字段，节点侦听信道的同时，将“NAV”字段中的值进行处理后保存下来。但与MACA协议中的虚拟载波监听不同的是，“NAV”字段要经过对传播时延的修正才能达到预测信道空闲时刻的作用。本协议所应用的修正公式可以表示为：

{NAV}_{left} = \min ({NAV}_{rcv} - \frac{D_{rcv} + D_{des}}{V_{s}} + T_{g})

其中，NAV_left是正在监听信道的节点本地的NAV值，该值为0时表示节点可以发出RTS争用信道；NAV_rcv是接收到的DATA或ACK帧中的NAV“字段”值；D_rcv是通过接收机收到的信号的幅度估算出来的本节点与发出信号节点之间的距离；D_des是通过收机收到信号的幅度估算出来的本节点与将要进行通信的节点之间的距离；V_s是声信号在网络所在水声环境下的速度；T_g是为了防止计算差错而引入的保护时间间隔。

状态二：传输状态。处于这个状态的节点正在向父节点传输数据。这时可能收到的帧的种类有以下3种：ACK帧、STOP帧、重传要求帧、DATA帧、ACK帧；可能发出的帧有DATA帧、F I NI SH帧。DATA、FINI SH帧格式及各字段作用如图13、14及表9、10所示。其中，DATA帧格式及各字段作用如表9所示：

表9

FINISH帧格式及各字段作用如表10所示：

表10

字段名	作用
		fun	功能字段，默认为7
layer	发送子节点层信息
		des_parent_id	目的父节点编号

传输状态下，两种控制碰撞模式的相同部分包括：

当子节点在传输状态收到ACK时，只可能是父节点发来的。这时节点会查看自己的重传列表。如果该帧是经过重传的帧，那么清除在重传列表中的记录；如果该帧是正常的按序帧的ACK，那么表示发送成功，准备下一次发送。以上两种情况下都要把发送窗口数值加一，表示可以在没有确认的情况下再多发一个数据帧。

如果收到STOP帧，要判断发出者。如果是伪父节点发来的，表示伪父节点已经终止了自己的传输，为高优先级节点让出了信道。此时该节点只需将伪父节点状态设为繁忙即可。如果该帧来自父节点，表明有高优先级的传输已经占用了信道，必须刻终止发送状态。

当节点收到DATA帧或RTS帧时，要查看发出者，若是优先级较高的节点发来的，说明此时公用信道被更高优先级的传输所占用，要立即发送FINISH帧。

如果收到重传要求帧，则按照重传帧中的序号重新发送。

在传输状态节点会发出数据帧(DATA)和完成帧(FINISH)。数据帧与其他帧相比长度明显加长，原因是它拥有一个数据字段，来承载上层要传输的数据。在所有数据帧都成功传输完成后，节点会发出FINISH帧，来通知上层节点传输已经完毕，可以开始下一轮的争用。

两种控制碰撞模式的不同部分包括：

发送数据帧(DATA)时，发送端控制碰撞方式要在帧中添加一个“NAV”字段，该字段值表示在发送数据的节点看来，完成数据传输还需要的经过的时间。本协议规定完成传输的概念为父节点收到子节点发送的传输完成(FINISH)帧。因此，本实施例的协议采取的计算NAV的公式如下：

{NAV}_{data} = \frac{N_{left} (t_{p} + t_{g}) V_{s} + 3 D_{est}}{V_{s}} + T_{g}

其中，NAV_data是将要包含在数据帧(DATA)中的NAV值；N_left是发送端还剩下的数据帧数；t_p是发送一帧数据所用的时间；t_g是发送两帧数据中间的间隔时间，根据具体情况赋值；D_est是发送节点与接收节点间的距离，可以通过接收信号的强度估算出来；V_s是声音在网络所工作水声环境中的传播速度；Tg是为了防止计算差错而引入的保护时间间隔。

值得指出的是，N_left的值要根据接收到的ACK的内容动态更新。ACK帧中携带了需要重传的帧的信息，接收节点将需要重传的帧的个数与N_teft值相加，作为新的N_teft值。

状态三：完成状态。当子节点剩余要发的帧数为0时，自动进入完成状态。在进入完成态后，如果收到下层节点发来的RTS帧会重新返回准备传输状态。当所有子节点的数据都转发完成后，在适当的时间节点进行休眠以节省节点能源。

下面，结合图18介绍一种优选的接收端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的主要处理流程，包括下列步骤：

1801)一个节点获取本地的探测数据，并接收下层节点的数据，当这些数据积累到一定程度时，确定该节点将作为子节点上传数据。

1802)所述子节点进入“等待传输状态”。

1803)所述子节点侦听信道，当收到父节点发送来的COMPETE帧时，进入步骤1804)，当收到的帧不是父节点发送的，进入步骤1810)。

1804)子节点发送RTS帧给父节点，请求发送信息。

1805)继续侦听信道，当接收到发送给其他节点的CTS帧时，回到步骤1802)，当接收到父节点发送给自己的CTS帧时，进入步骤1806)

1806)该子节点进入(或维持)传输状态，在传输状态下，子节点需要根据父节点的ACK帧中的retrans_info字段更新剩余帧的个数。

1807)判断子节点的数据是否已经全部传输完毕，判断为否，进入步骤1808，判断为是，进入步骤1809)。

1808)侦听信道，当收到父节点发来的ACK帧时，回到步骤1806)，当收到父节点发来的STOP帧时，回到步骤1802)。

1809)子节点发送FINISH帧，进入传输完成状态(即前文中所述的完成状态)。

1810)判断该子节点所收到的帧的发送者是否是具有更高优先级的节点，如果判断为否，回到步骤1803)，如果判断为是，则进入步骤1811)。

1811)子节点将其上传数据的信道设置为繁忙状态，回到步骤1802)，本步骤中，有一种例外情况，如果该子节点所收到的是伪父节点发来的STOP帧时，将伪父节点状态设为空闲状态。

下面，结合图19介绍一种优选的发送端控制碰撞模式下某节点向其父节点上传信息的主要处理流程，包括下列步骤：

1901)一个节点获取本地的探测数据，并接收下层节点的数据，当这些数据积累到一定程度时，确定该节点将作为子节点上传数据。

1902)所述子节点进入“等待传输状态”。

1903)所述子节点侦听信道，当信道中无正在传输的信号且NAV值为0时，进入步骤1904)，当信道中有信号(即数据帧或控制帧)传输，进入步骤1910)。本步骤中，子节点还需要更新NAV值。

{NAV}_{left} = \min ({NAV}_{rcv} - \frac{D_{rcv} + D_{des}}{V_{s}} + T_{g})

1904)子节点发送RTS帧给父节点，请求发送信息。

1905)继续侦听信道，当接收到发送给其他节点的CTS帧时，回到步骤1902)，当接收到父节点发送给自己的CTS帧时，进入步骤1906)

1906)该子节点进入(或维持)传输状态，在传输状态下，子节点需要根据父节点的ACK帧中的retrans_info字段更新剩余帧的个数。

1907)判断子节点的数据是否已经全部传输完毕，判断为否，进入步骤1908，判断为是，进入步骤1909)。

1908)侦听信道，当收到父节点发来的ACK帧时，回到步骤1906)，当收到父节点发来的STOP帧时，回到步骤1902)。

1909)子节点发送FINISH帧，进入传输完成状态(即前文中所述的完成状态)。

1910)判断该子节点所收到的帧的发送者是否是具有更高优先级的节点，如果判断为否，回到步骤1903)，如果判断为是，则进入步骤1911)。

1911)子节点将其上传数据的信道设置为繁忙状态，回到步骤1902)，本步骤中，有一种例外情况，如果该子节点所收到的是伪父节点发来的STOP帧时，将伪父节点状态设为空闲状态。

6.2、父节点接收数据

在数据传输阶段，接收数据的父节点有四种状态：准备接收状态、接收状态、停止状态、完成状态。各状态之间的转移条件如图15所示。在本实施例的协议中，具有接收端控制碰撞与发送端控制碰撞两种模式，这两种模式的具体运作有所区别。下面就按照上述四种状态来分析数据传输阶段子节点在两种不同模式下的数据处理方案。

状态一：准备接收状态。这一状态从接到下层节点的FINISH帧开始，到接到数据帧结束。可能接到的帧有RTS、DATA帧；可能发出的帧有CTS、STOP与COMPETE帧。

准备接收状态下，两种控制碰撞模式的相同部分包括：

接收到RTS之后，分两种情况处理：

1、如果收到子节点发来的RTS帧，父节点以时间先后顺序为标准，对最先接收到的RTS发出CTS帧，允许相应子节点发送数据；同时从total_num字段中取出并记录总的帧数量；而对其后陆续接到的各RTS帧则全部忽略。

2、如果收到伪子节点或区域内伪子节点发来的RTS帧，则意味着这是更高优先级的信道征用。这种情况下父节点要对下层的子节点发送STOP帧以对高优先级的传输进行退避，同时启动退避计时器，此时进入停止状态。

接收到DATA帧分两种情况：

1、如果是子节点发来的DATA帧，这是正常的情况，直接进入接收状态即可。

2、如果是伪子节点或区域内伪子节点发来的DATA帧，这种情况发生是由于某种特殊状态下，父节点没能收到伪子节点的RTS，因此没有向子节点发出STOP帧进行避让。如果出现这种情况，父节点应当向子节点补发STOP帧进行避让，同时启动退避计时器，进入停止状态。

两种控制碰撞方式的不同部分包括：

1、在接收端控制碰撞方式中，节点会检查自己的同层节点表，如果同层节点中有比自己优先级高的，或者“区域内伪子节点列表”为非空，那么要延迟发送COMPETE帧，延迟的时间可以设为信号通过两节点间平均距离所用时间的2.5倍。在发送端控制碰撞的方式中，父节点在收到下层RTS后延迟发送CTS，延迟时间可设为信号通过两节点间平均距离所用时间的1.5倍。

2、接收端控制碰撞方式中，进入等待接收状态的节点会发出COMPETE帧，提示下层节点可以进行信道的争用。而发送端控制碰撞方式中，COMPETE帧机制被删除。

状态二：接收状态。接收状态从接收到正确的DATA帧开始，到收到FI NI SH帧结束。可能接到的帧有FINISH、DATA、RTS。可能发出的帧有STOP、ACK。

两种控制碰撞方式的相同部分包括：

父节点接收到DATA帧时分两种情况：

1、如果是子节点发来的DATA帧，这是正常的情况，根据相应的发送序号回复ACK确认。如果接收到的DATA帧序号发生跳变，表示中间漏接了某些数据帧。此时节点会将丢失的帧的序号存入丢失存储器，并在ACK帧的retrans_info字段中填入重传信息，并将此ACK发送给子节点。父节点利用已经接到的帧序号与从RTS帧的total_num字段取出的总帧数量这两个值计算出还没有收到的数据帧的序号集合，并存储在丢失寄存器中。

2、如果是伪子节点发来的DATA帧，这种情况的发生是由于伪子节点的RTS发送较晚，与子节点发来的数据发生了碰撞。此时父节点没能收到高优先级RTS而没有对子节点发出STOP帧，导致数据发生了最严重的碰撞。此时由于没有正确的ACK确认信息，子节点发送窗口耗尽，暂停传输，而伪子节点的信息传输正常进行，所以在碰撞一段时间后一定会收到伪子节点发来的数据帧。此时要向子节点发出STOP帧，进入停止状态。

接收到RTS是由于非正常的延时引起的特殊情形，类似于接到DATA帧的第二种情况，发出STOP帧，进入停止状态。

两种控制碰撞方式的不同部分包括：

1、如果父节点接收到FINISH帧，表示一段时间内占用信道的子节点已经完成了数据传输并交出了信道的占用权。在接收端控制碰撞模式下，父节点要向下层发出COMPETE帧，通知它们信道已经空闲，可以进行争用。在发送端控制碰撞模式下，COMPETE帧机制被删除，接收到FINISH帧时NAV值清0，同时向下层节点回复一个NAV值为0的ACK帧。

2、父节点在发送确认帧(ACK)时，发送端控制碰撞模式要在帧中添加一个“NAV”字段(接收端控制碰撞模式下不需要进行该处理)，该字段值表示在接收数据的节点看来，完成数据传输还需要的经过的时间。本协议规定完成传输的概念为父节点收到子节点发送的传输完成(FINISH)帧。因此，本实施例的协议中采取的计算NAV的公式如下：

{NAV}_{ack} = {NAV}_{data} - \frac{D_{est}}{V_{s}} + T_{g}

其中，NAV_ack是将要包含在确认帧(ACK)中的NAV值；NAVd_ata是父节点接收到的子节点发来的数据(DATA)帧中的NAV字段值；D_est是发送节点与接收节点间的距离，可以通过接收信号的强度估算出来；V_s是声音在网络所工作水声环境中的传播速度；T_g是为了防止计算差错而引入的保护时间间隔。

状态三：停止状态。停止状态是由于接收到了高优先级的RTS或DATA帧引起的，目的是避开高优先级的数据传输，以免发生碰撞。当父节点接收到了FINISH帧或退避超时后停止状态结束。可能收到的帧是DATA和FINISH帧；可能发出的帧只有COMPETE帧。

在停止状态可能接收到子节点或伪子节点的DATA帧。但无论哪种，父节点都会保持沉默(不发送ACK)。父节点会记录伪子节点帧的接收个数，为停止状态解除机制提供参数。

FINISH帧只可能是伪子节点传来的，因为之前已经中断了子节点的数据传输。接到FINISH帧后进入准备接收状态，并立刻发送COMPETE帧。

在停止状态有一个特殊点要着重说明，就是退避失败问题。当父节点接收到高优先级的RTS后，一定会马上发出STOP帧进行退避。但由于本协议的特点是各节点只保存局部的拓扑信息，无法得知是否有更高优先级的节点争用信道，即很可能会发生高优先级的节点要退避更高优先级的数据发送。所以本协议采用了一种退避自解除机制来避免无意义的长时间退避。具体做法是：当父节点发出STOP帧后立刻启动退避计时器，到合适的时间后，计时器启动判断进程，检查接收到的伪子节点DATA帧的个数，如果小于某一门限值(不设为0是因为节点在退避之前很可能接收到了CTS，而发送了少量DATA帧)，则判断为该高优先级节点也被迫执行了退避。此时退避失败，结束停止状态并发送COMPETE帧允许子节点重新争用信道。这样做很有效地提高了网络的资源利用率，提高了吞吐量。

状态四：完成状态。在准备接收状态中，若没有下层节点发来RTS，则父节点进入完成状态。

下面，结合图20介绍一种优选的接收端控制碰撞模式下某节点接收其下层节点上传数据的主要处理流程，包括下列步骤：

2001)某节点进入“准备接收状态”。

2002)该节点向下层节点发送COMPETE帧。

2003)侦听信道，当接收到子节点发来的RTS帧时，进入部步骤2004)，当接收到位子节点发来的RTS帧时，进入步骤2007)，当一定时间内没有收到RTS帧时，说明本次传输过程结束，进入步骤2008)。

2004)向下层的子节点发送CTS帧，进入接收状态。

2005)侦听信道，当收到子节点发来的DATA帧时，进入步骤2006)，当收到同层更高优先级节点发出的ACK帧或CTS帧时，进入步骤2007)，当收到伪子节点发来的DATA帧或CTS帧时，也进入步骤2007)，当收到子节点发来的FINISH帧时，回到步骤2001)。

2006)发送ACK帧给子节点。

2007)发送STOP帧给子节点，进入停止状态。并使子节点进行退避。

2008)进入完成状态。

下面，结合图21介绍一种优选的发送端控制碰撞模式下某节点接收其下层节点上传数据的主要处理流程，包括下列步骤：

2101)某节点进入“准备接收状态”，执行2103)步骤。

2103)侦听信道，当接收到子节点发来的RTS帧时，进入部步骤2104)，当接收到位子节点发来的RTS帧时，进入步骤2107)，当一定时间内没有收到RTS帧时，说明本次传输过程结束，进入步骤2108)。注意本处理流程中不包含发送COMPETE帧的步骤。

2104)向下层的子节点发送CTS帧，进入接收状态。

2105)侦听信道，当收到子节点发来的DATA帧时，进入步骤2106)，当收到伪子节点发来的DATA帧或RTS帧时，进入步骤2007)，当收到子节点发来的FINISH帧时，进入步骤2109)。

2106)发送ACK帧给子节点。

2107)发送STOP帧给子节点，进入停止状态。并使子节点进行退避。

2108)进入完成状态。

2109)向下层节点发送一个NAV值为0的ACK帧，回到步骤2101)。

七、关于特殊问题

在实际应用中，本实施例提供的不规则传感器网络还会遇到一些特殊情况。下面分别讨论在这些特殊情况下的本实施例方案的可用性。

1)区域内层次问题

第一种情况，如图29所示。圆圈代表节点间的有效通信范围，拓扑初始化阶段所有节点的通信频带相同。10号节点为汇聚节点，7、8、9号节点为普通的传感器节点。7号节点在10号节点的通信范围之内，被初始化为1层节点。8号节点虽然离7号节点很近，但在10号节点通信范围之外，没有被初始化。7号节点产生正确的拓扑初始化信息后，向周围发送，8、9号两节点都被初始化为2层节点。8、9两节点同样会产生响应的拓扑初始化信息，然而虽然两节点都在对方的通信范围之内，但根据说明书中具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第7点，8、9两节点在收到对方的拓扑初始化信息后并不会改变所在层次的信息，仍然认为自己是2层节点，同时将对方的节点标号以及层次信息储存在同层节点列表中(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第2点)。

第二种情况，如图30所示。假设节点4损坏，这时导致本应该处于网络层次第二层的9号节点由1、2两节点发起的拓扑初始化过程初始化为第三层节点，且9号认为1号节点为其父节点(节点编号小，优先级较高)。同时3号节点也被1号节点初始化为第三层。9号节点被初始化后会向下层发送拓扑初始化信息，此时3号节点即使收到了该信息也不会被初始化为第四层节点，因为根据协议转发优先级的规定(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第7点)3号节点将认为层次较小的上层节点为父节点。第二种情况说明了该拓扑初始化方式在某些节点损坏的情况下仍然能够正常工作，且层次错误不易传播(9号节点的层次错误没有造成3号节点的层次错误)。

第三种情况，如图31所示。拓扑初始化路径10、7、1、3、4、5、6状态良好，10、8、2路径由于某种原因很长时间才建立起来。最复杂的情况是：此时6号节点向2号节点发送拓扑初始化信息，同时2号节点向6号节点发送拓扑初始化信息。按照协议规定，2号节点对6号节点的拓扑初始化信息予以处理，但不会改变自己所在层次，此时会将6号节点的信息储存在“区域内伪父节点列表”中(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第6点)。另一方面，6号节点对2号节点的拓扑初始化信息进行处理，因为2号节点所在层次较小，优先级较高(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第7点)，所以6号节点认定2号节点为父节点，并将自己的所在层次改为第3层，并发送回复信息及新的拓扑生成信息(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第7点)。2号节点接收到6号节点给自己的回复信息后，将6号节点从“区域内伪父节点列表”中删除，并将6号节点储存在子节点列表中(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第9点)。5号节点同样接收到了6号给2号的拓扑回复信息，根据协议内容将6号节点储存在“区域内伪子节点列表”中(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第10点)。6号节点发送的新的拓扑生成信息被2号(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第6点)与5号节点忽略(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第7点。至此，节点6作为5号节点的“区域内伪子节点”，节点5作为节点6的“区域内伪父节点”，拓扑信息初始化成功。

其他情况都比讨论过的要简单，不再赘述。

对图31中5号节点不作为6号节点的子节点(四层)而仍旧作为五层节点的合理性解释：虽然作为四层节点经过更少的转发次数可以将信息传输给汇聚节点，但如假设中的情况10、7、1、3、4、5、6路径比10、8、2路径更快建立了起来，说明前者信息传输情况良好，后者虽然转发次数少，但可能传输情况较差，所以无必要一味追求较少的转发次数。

对出现区域内层次问题时的频带冲突的解决如下：

如图31所示的拓扑结构，数据传输方向的分隔点在5号与6号之间，5号向4号用频段2传递信息，6号向2号用频段3传递信息，5号与6号间无有意义的信息的传递。此情况下，由于频率分层复用机制所起的作用，两组节点之间的信息传递不受任何影响。事实上，只要是两个相邻的发送节点不用同一频段发送信息就不会相互影响。而即使当相邻的发送信息的两节点共用了同一频率信道，只要采取控制信息窄带传输机制，也不存在相互影响的问题(若需要可详细解释)。现在问题集中在相邻两传输节点恰好用同一频带传输数据且没有控制信息窄带传输机制。我们假设图31的5、6两节点用同一频带发送数据，此时4号节点给5号的ACK等回复信息在到达5号节点时很可能与6号发给2号的数据信息产生冲突。解决办法是设定传输优先级。根据协议的传输优先级规定(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第11点)，区域内伪字节点有更高的传输优先级。在这种情况下，5号节点在接到6号节点发给2号的DATA或RTS帧时，立即停止传输，向上层发送FINISH帧，以让出信道的占用(参见具体实施方式第六部分“数据传输方法”中的第6.1点中记载的接收状态的相关协议内容)。

2)区域间边缘节点问题

如图32所示，当协议在节点布放方式中加入了对多汇聚节点的支持后，会出现在两个网络区域的边缘都接到拓扑初始信息的节点，如图32中三角标志的节点所示。在拓扑初始化过程中，区域间边缘节点的处理方式与区域内层次问题相类似，只是区域间边缘节点的处理涉及到一个“区域”的概念，不同的汇聚节点形成的网络属于不同的“区域”，能够接收到来自不同区域的拓扑初始化信息的节点称为“区域间节点”，区域间节点将停止继续发送拓扑初始化信息。下面分初始化拓扑信息与信息传递两种情况进行说明：

初始化拓扑信息时，如图33所示，典型情况是4、6、5、2四个节点同时对3号节点发出了拓扑初始化信息。假设3号节点接收信息的顺序排除相同情况共有以下两种：“4、6、5、2”，“5、2、4、6”，下面逐一分析。

“4，6，5，2”时，3号节点首先被4号节点初始化为区域1的6层节点，父节点为4号，并发出回复信息。当3号收到6号的初始化信息后，由于4号比6号有更高的优先级(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第6点)，所以3号将6号认定为伪父节点。当3号收到5号及2号的拓扑初始化信息后，根据协议(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第13点(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第8点)，3号将5号与2号认定为“区域间伪父节点”。3号的回复信息也将被4个节点都接收到。4号将认为3号为子节点；6号将认为3号为伪子节点；5号与2号都认为3号为“区域间伪子节点”(参见具体实施方式第五部分“拓扑初始化方法”中第11点)。

“5、2、4、6”时，3号节点将被初始化为区域2的2号节点的子节点，其他与上一情况类似。

信息传输过程中，与区域内的传输优先级情况类似，当采用控制信息窄带传输机制后，区域间节点在信息传输过程中不会出现干扰问题。当没有采用控制信息窄带传输机制时，如图34所示。3号节点是区域1的3层节点，2号与5号是区域2的3层节点。在拓扑初始化过程中，3号是5号与2号的“区域间伪子节点”，5号与2号是3号的“区域间伪父节点”。传输过程开始后根据传输优先级规则(参见具体实施方式第三部分“转发方式及转发优先级的确定方法”中的第8点)，3号节点的传输有着更高的优先级。通过上面的分析，可见在有区域间边缘节点问题出现时，本实施例的协议均可以正常运行。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，其中，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点之间的距离在有效通信范围以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在有效通信范围以内的传感器节点为第i+1层节点，其中i为正整数，第i层节点是第i+1层节点的上层节点；

2.根据权利要求1所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述水声传感器网络系统所使用的频带包括第一、第二、第三数据信息频带；若某个节点层次为N，满足N mod 3＝0，则该节点为1类节点，满足N mod 3＝1，则该节点为2类节点，满足N mod 3＝2则该节点为3类节点，1类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信频带分别采用第一、第二、第三数据信息频带。

3.根据权利要求2所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述水声传感器网络系统所使用的频带还包括控制信息窄带，各节点之间的控制信息使用控制信息窄带进行传输。

4.根据权利要求1所述的水声传感器网络系统，其特征在于，当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将其中一个上层节点确定为父节点，其它的可通信的上层节点为伪父节点，下层节点优先通过其父节点上传数据。

5.根据权利要求4所述的水声传感器网络系统，其特征在于，当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，判断各下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比所述下层节点的父节点高，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点为自己的子节点；当自己的优先级比所述下层节点的父节点低，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点是自己的伪子节点。

6.根据权利要求5所述的水声传感器网络系统，其特征在于，每个传感器节点均在本地保存该传感器节点的局部拓扑信息，所述局部拓扑信息包括：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。

7.根据权利要求6所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述汇聚节点数目大于1，每个汇聚节点控制的传感器网络系统的一个区域；所述传感器节点在本地保存的局部拓扑信息包括：区域内伪父节点编号，区域内伪子节点编号，区域间伪父节点编号，以及区域间伪子节点编号及数量。

8.权利要求1所述的水声传感器网络系统的拓扑初始化方法，包括下列步骤：

4)不断重复执行步骤3)直至所有传感器节点的局部拓扑信息更新完毕；所述局部拓扑信息包括：父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。

9.根据权利要求8所述的拓扑初始化方法，其特征在于，所述步骤3)中，在更新本地的局部拓扑信息后发送拓扑生成回复包，拓扑生成回复包携带父节点编号，子节点编号以及子节点层数信息，上层节点根据拓扑生成回复包更新其局部拓扑信息中的子节点与伪子节点信息。

10.根据权利要求8所述的拓扑初始化方法，其特征在于，所述步骤3)中，传感器发送新的拓扑生成帧前需等待一定时间，以使所有可通信上层节点的拓扑生成帧均接收完毕。