CN103248435B - 一种水声通信网络时分复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声通信领域，特别涉及一种实现时分复用时，不需要全网内所有节点时钟的严格同步，不需要周期地广播同步信号，采用集中式网络拓扑结构的水声通信网络时分复用（TDMA）技术。本发明包括：主节点广播初始化信号；布置分节点的发送时隙,主节点建立对应的接收时隙；主节点将布置完成的时间表广播给分节点；分节点根据ID号从时刻表中获取对应信息；进行侦听；判断时钟漂移是否在安全区内；分节点在侦听时长内监听主节点发送的通知信号。本发明不需要网络全局时钟的严格同步，主、分节点以本地时钟为参考进行工作。不需要周期地广播同步信号，在数据通信过程中完成时间表修正。分节点工作时隙交错布置，时间利用率高。

Description

一种水声通信网络时分复用方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，特别涉及一种实现时分复用时，不需要全网内所有节点时钟的严格同步，不需要周期地广播同步信号，采用集中式网络拓扑结构的水声通信网络时分复用（TDMA）技术。

背景技术

近年来，随着水声通信技术的发展，水声通信网络逐渐成为国内外研究的热点。由于水声信道传播延时长、可用带宽窄、发送速率低、时变多径复杂，许多在陆上无线通信网络中的成熟协议无法直接应用于水声通信网络。基于握手机制的竞争类协议，往返握手需要耗费大量时间，并且冲突的存在又会增加能量消耗和时延的增加。TDMA协议为每个节点分配固定的工作时隙，可以有效避免冲突。但实现TDMA协议的关键是要有严格的帧同步时序，在水声通信网络中实现严格的时钟同步十分困难。

专利号为CN102098093A的发明公开了一种水声通信网的TDMA方法，该方法通过周期地广播同步信号达到网络中各节点无冲突地收发数据的效果。本发明所提出的方法与此不同，在本发明中，通过在初始化时一次广播时间表，各节点将时间表映射到本地时钟上进行工作，并在数据通信过程中实时进行时间表修正，无需重复广播同步信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要严格的全局时钟同步、不需要重复广播同步信号，利用节点的本地时钟实现水声通信网络TDMA协议的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括如下步骤：

（1）主节点广播初始化信号，记录主节点发送时刻t_sA，分节点回复初始化清除信号，主节点收到初始化清除信号后，记录主节点接收时刻t_rA，获取主节点与分节点的传播时延T_pdA，T_pdA=t_rA-t_sA；

（2）根据时延信息，给各分节点设置不同的发送时刻调整值t_m,布置分节点的发送时隙,主节点建立对应的接收时隙；

（3）主节点将布置完成的时间表广播给分节点；

（4）分节点收到时间表时，记录当前时刻t_ir为起始时刻，根据该分节点ID号从时刻表中获取对应信息，包括与主节点的传播时延T_pdi、网络工作周期T、发送时刻调整值t_mi，则分节点发送时刻t_is为：

t_is=t_ir+t_mi+kT，　k=0,1,2,…；

（5）分节点在发送时刻发送数据，数据发送完成后，进行时长为T_pdi的侦听；

（6）主节点根据接收到分节点发送数据的时刻，判断时钟漂移是否在安全区内，如果超过临界值，则向分节点发送通知信号，调整下次分节点发送数据的时间，如果不超过临界值，则不发送信息；

（7）分节点在侦听时长内监听主节点发送的通知信号，如果有通知信号，根据通知信号中的时间表调整信息，调整下次工作时间；如果没有通知信号，等待下一个工作周期发送数据。

主节点在相邻的数据接收时隙之间设置保护间隔，当对应时刻数据的到达时间出现的漂移超过临界值时，给对应的分节点返回通知信号，通知下次数据发送需要调整的时间。

本发明的有益效果在于：

（1）不需要网络全局时钟的严格同步，主、分节点以本地时钟为参考进行工作。

（2）不需要周期地广播同步信号，在数据通信过程中完成时间表修正。

（3）分节点工作时隙交错布置，时间利用率高。

附图说明

图1网络拓扑结构；

图2获取信号传播时延示意图；

图3分节点工作时间表；

图4分节点本地时间轴映射示意图；

图5主节点本地时间轴映射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明不需要严格的全局时钟同步，不需要重复广播同步信号，在数据传输过程中完成时间表修正。

网络采用集中式拓扑结构，由1个主节点和若干个分节点组成。在初始化阶段，主节点通过应答的方式获取与各分节点的传播时延，根据传播时延的大小交错布置各分节点的数据发送时间，在本地时间轴上建立对应的数据接收区间，并将时间表通过广播的方式发送给所有分节点。

时间表信息包含节点标识ID、网络工作周期T、传播时延T_pd、发送时刻调整值t_m，各分节点根据本节点ID从时间表获取对应信息，将本节点的工作时隙映射到本地时间轴上进行工作。

在工作阶段，分节点根据本地时钟，在到达发送时刻时自动唤醒进行数据发送，发送完成后进行一段时长为T_pd的监听，如果有主节点发送的ACK信号（通知信号），则根据信号内容调整下次数据发送时间，然后进入休眠，如果没有ACK信号，则直接进入休眠。等下一个周期到来，各分节点根据本地时钟自动唤醒并进入工作状态。

主节点在相邻的数据接收时隙之间设置一段保护间隔，允许对应时刻数据的到达时间有一定的漂移，当这个漂移超过临界值时，给对应分节点返回ACK信号，告知下次数据发送需要调整的时间。如果时间漂移没有超过临界值，则不发送任何信号。

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

协议针对采用集中式网络拓扑结构的水声通信网络，整个工作流程包括3个阶段：初始化、数据发送、时间表修正。初始化阶段主要完成：传播时延确定、工作时隙的布置、本地时钟映射。网络初始化完成后进入工作状态，各节点根据本地时钟，周期地进入工作状态和休眠状态，并在数据传输过程中完成时间表修正。

结合图1。网络采用集中式拓扑结构，由1个主节点（图中实心圆O）和若干个分节点（图中空心圆A、B、C等）组成。

结合图2。确定传播时延采用应答的方式，以主节点获取与分节点A的传播时延为例，主节点发送初始化信号给节点A（Require Initialize Signal to A，RIS_A），并记录当前发送时刻t_sA，分节点A收到RIS_A信号后，回复A节点初始化清除信号（Clear InitializeSignal to A，CIS_A），主节点收到CIS_A信号后记录当前时刻t_rA，并计算主节点与分节点A的传播时延T_pdA：

T_pdA=t_rA-t_sA       （1）

主节点采用与此类似的方法，通过轮询的方式分别获取与各分节点的传播时延。

结合图3。时间表信息包括节点标识ID、网络工作周期T、传播时延T_pd、发送时刻调整值t_m。表中的i表示第i个节点，每个节点有唯一的标识ID，节点根据ID从表中获取相应的信息内容，整个网络采用统一的工作周期T。主节点根据传播时延进行各分节点工作时隙的交错布置：给不同的分节点设置不同的发送时刻调整值t_m，各分节点根据t_m设置自己的发送时刻。主节点布置完时间表后，将它广播给网络中所有的分节点。

结合图4。图4是各分节点根据时间表信息进行本地时钟映射的示意图，图中i表示第i个分节点。下面以第i个分节点为例说明具体的映射过程。分节点i收到时间表后，记录当前时刻t_ir为起始时刻，根据本节点ID号从时刻表中获取对应信息，包括与主节点的传播时延T_pdi、网络工作周期T、发送时刻调整值t_mi，则此分节点发送时刻t_is为：

t_is=t_ir+t_mi+kT，　k=0,1,2,…     （2）

本地时钟映射完成之后，分节点进入工作流程：到达发送时刻即开始发送数据，数据发送完成之后，进行一段时长为T_pdi的侦听，如果有主节点返回的ACK信号，则根据ACK信号中的信息调整下一次发送时间，然后进入休眠，反之，则直接进入休眠。等到下一个工作周期，节点自动唤醒并进入数据发送流程。

结合图5。主节点在初始化阶段，根据各分节点的工作时间表将对应分节点的数据接收时刻映射到本地时间轴上，相邻的数据接收时间段之间留有保护间隔，当数据接收时刻超出对应的临界范围时，发送ACK信号通知对应分节点在下个周期进行工作时间调整，调整值包含在ACK信号中，反之，则不发送任何信息。以接收分节点i的数据（数据i）为例，假设按初始化时的时间表安排，数据i应该到达的时刻为t₀，数据接收持续时间为T_data，数据i在安全时间T_s内接收完毕，则不会与相邻的数据接收产生冲突，安全时间T_s为：

$t_0-\frac{1}{2}{T}_g<T_s<t_0+T_{\mathrm{data}}+\frac{1}{2}{T}_g---\left(3\right)$

则数据i的到达时刻t_i在内时，不影响相邻数据的接收，主节点不返回任何信息，反之，则发送ACK通知分节点i在下个工作周期进行时间调整，调整值Δt_m为：

Δt_m=t_i-t₀     （4）

如果Δt_m>0，则接收时刻延后，分节点i下个周期工作时间需要提前Δt_m；

如果Δt_m<0，则接收时刻超前，分节点i下个周期工作时间需要延后Δt_m。

Claims (2)

1.一种水声通信网络时分复用方法，所述的水声通信网络为集中式网络拓扑结构，由1个主节点和若干个分节点组成，其特征在于，包括如下步骤：

(1)主节点广播初始化信号，记录主节点发送时刻t_sA，分节点回复初始化清除信号，主节点收到初始化清除信号后，记录主节点接收时刻t_rA，获取主节点与分节点的传播时延T_pdA，T_pdA＝t_rA-t_sA；

(2)根据时延信息，给各分节点设置不同的发送时刻调整值t_m,布置分节点的发送时隙,主节点建立对应的接收时隙；

(3)主节点将布置完成的时间表广播给分节点；

(4)分节点收到时间表时，记录当前时刻t_ir为起始时刻，根据该分节点ID号从时刻表中获取对应信息，包括与主节点的传播时延T_pdi、网络工作周期T、发送时刻调整值t_mi，则分节点发送时刻t_is为：

t_is＝t_ir+t_mi+kT，k＝0,1,2,…；

(5)分节点在发送时刻发送数据，数据发送完成后，进行时长为T_pdi的侦听；

(6)主节点根据接收到分节点发送数据的时刻，判断时钟漂移是否在安全区内，如果超过临界值，则向分节点发送通知信号，调整下次分节点发送数据的时间，如果不超过临界值，则不发送信息；

(7)分节点在侦听时长内监听主节点发送的通知信号，如果有通知信号，根据通知信号中的时间表调整信息，调整下次工作时间；如果没有通知信号，等待下一个工作周期发送数据。

2.根据权利要求1所述的一种水声通信网络时分复用方法，其特征在于：所述的主节点在相邻的数据接收时隙之间设置保护间隔，当对应时刻数据的到达时间出现的漂移超过临界值时，给对应的分节点返回通知信号，通知下次数据发送需要调整的时间。