CN104486005A - 一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法。该方法的每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，具体步骤为：步骤A1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段；步骤A2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺序，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；步骤A3：当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段。本发明可以让水声网络中的多个节点在同一个传输周期内批量传输数据而不发生冲突，能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延，可广泛用于各种基于竞争协议的水声通信网、水声传感网等场合。

Description

一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，特别是一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法。

背景技术

水声通信网络是水下通信技术研究的一个重要方向，在水下勘探、水下石油开采、战术监控、污染监测、海啸预警、辅助导航、生态监控等方面有着广泛的用途。组建高性能的水声通信网络，不但需要解决水下点对点两个用户之间的可靠通信，同时还需要考虑多个用户在共享水介质信道时信息如何高效地交互。水声信道的频带窄、时延长、能量受限等特点使得媒体接入控制技术成为影响水声通信网络性能的关键因素之一。

在目前的水声通信网络中，媒体接入控制技术大致可以分为固定分配信道和竞争使用信道两种。固定分配信道的方式将整个通信的频谱资源划分为多个信道，固定分配给节点单独使用。这种信道的使用方式可以避免冲突的发生，也无需握手等交互，适用于各节点持续有数据发送的场合，但对于突发数据的传输效率不高。在竞争使用信道的方式中，用户通过竞争获取信道的使用权，并在一定时间内独占所有的带宽，可以较好地满足突发数据传输的要求，但在多个节点同时有数据要发送时，需要使用专门的技术来决定信道的使用权，以避免冲突的发生。

握手是竞争使用信道方式中最常用的一种冲突避免技术。通过握手，需要发送数据的节点可以竞争获得数据传输信道的使用权，避免数据传输时产生冲突。CSMA、MACA和FAMA等常用的水声网络媒体接入控制协议中均采用了握手机制。但在现有的基于握手的水声网络媒体接入控制协议中，每个传输周期通常只有一对节点可以相互通信，由于水声信道的时延很长，这种通信方式存在着以下的不足：

(1)信道利用率低。一个传输周期通常包括握手、数据传输、传输结束三个阶段。由于声波在水中的传播速度低，握手阶段中节点间的信息交互通常需要较长的时间才能完成。而现有基于握手的水声网络媒体接入控制协议中每个传输周期只允许一对节点通信，使得握手阶段耗时在整个传输周期中占有较大的比例，有效数据传输时间所占比例小，降低了信道的利用率。

(2)多节点通信时平均时延长。在现有基于握手的水声媒体接入控制协议中，由于每个传输周期只允许一对节点通信，因此多对节点需要轮流进入各自的传输周期才能完成传输，即当前一对节点传输完毕后，新的一对节点需要重新进行握手、传输数据及结束传输的过程，需要较长的时间才能完成多节点之间的通信。

发明内容

针对现有竞争信道水声网络中媒体接入控制协议因每个传输周期只允许一对节点通信而造成的信道利用率低、多节点通信时平均时延长等不足，本发明提供了一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，可以让水声网络中的多个节点在同一个传输周期内批量传输数据而不发生冲突，能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延，可以广泛用于各种基于竞争协议的水声通信网、水声传感网等场合。

本发明提供的适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，具体步骤如下(以下所有缩写均为本领域的惯用术语)：

步骤A1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段。需要发起通信的节点广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则广播回复CTS信令，直至在预设的时间内再无新的RTS和CTS信令发出，握手阶段结束。每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的通信请求。

步骤A2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺序，计算本节点可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。

步骤A3：当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个接收到数据的目的节点按优先级顺序，计算本节点可以无冲突发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向相应的源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向相应的源节点发送NACK信令。当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。

上述步骤A2中，每个节点发送数据的时刻采用以下方法计算：

步骤A2.1：优先级最高的源节点s₁以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送数据，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时。上述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻。

步骤A2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，优先级为i的源节点s_i在以下时刻发送数据给相应的目的节点d_i

$T_i^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为第i个源节点发送数据的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间。

上述步骤A3中，每个节点发送ACK或NACK信令的时刻采用以下方法计算：

步骤A3.1：优先级最高的目的节点d₁以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送ACK或NACK信令，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时。上述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻。

步骤A3.2：以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，优先级为i的目的节点d_i在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$T_i^{\mathrm{ack}}=\max \{T_j^{\mathrm{ack}}+P_j^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，为数据从d_j传输s_i的时延，为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C为预设的保护时间。

上述步骤A3.2中，如果优先级为k的目的节点接收到两个以上源节点的信息，则在回复优先级最高的源节点的时刻同时向所有发送信息到该节点的源节点回复ACK或NACK信令。优先级低于k的目的节点计算发送时刻时，等于优先级为k的目的节点所回复的所有ACK或NACK信令持续时间及发送这些信令间的保护时间之和。

上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，任意源节点s_i和目的节点d_j之间的时延采用以下方法估计：每个节点在网络建立阶段或空闲的时候，向其他节点广播各节点到本节点的延迟。

上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，任意源节点s_i和目的节点d_j之间的时延采用以下方法估计：根据网络各节点的位置信息，计算s_i和d_j之间的距离L，则v为水中的声速。

上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法中，某一源节点用以下方法在同一传输周期内同时向多个目的节点发送不同的数据：

步骤B1：在握手阶段，上述源节点发送的RTS信令中按优先级顺序加入多个目的节点标识，相应的目的节点接收到该RTS信令后，如果可以接收，则回复CTS信令；

步骤B2：在数据传输阶段，上述源节点按优先级顺序分别计算可以无冲突地发送数据到各目的节点的时刻，并在相应的时刻向各目的节点发送数据。

步骤B3：在结束阶段，上述源节点对应的各目的节点按优先级顺序计算本节点可以无冲突发送ACK或NACK信令至上述源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向上述源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向上述源节点发送NACK信令。当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。

上述步骤B2中，当优先级为i的源节点s_i需发送数据到目的节点d_i1、d_i2、……、d_ik时，则对应于目的节点d_ik(k∈[1,K])的数据发送时刻采用下式计算，K为需发送的目的节点个数：

$\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_{\mathrm{ik}}}-D_{s_i{d}_{\mathrm{ik}}},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}\\ +\underset{m=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}})+C\end{array}$

其中为s_i发送数据到d_ik的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送的数据包持续时间，C为预设的保护时间，为s_i发送给d_im的数据包的持续时间，为s_i发送数据到d_im时采用的保护时间。优先级低于上述源节点的其它源节点在计算发送数据时刻时，采用下式计算

$P_i^{\mathrm{data}}=\underset{m=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}})$

上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，结束阶段目的节点不发送ACK或NACK信令，最后一个数据包发送后，经过预设的一段时间，本传输周期结束。

与现有技术相比，本发明的有益之处有：

1、信道利用率高。本发明通过合理安排每个源节点的数据发送时刻，在保证目的节点能无混叠地接收相应源节点的数据且不影响其他节点正确接收数据的前提下，允许同一传输周期内多对节点同时进行通信，有效地减少了多节点通信中用于握手的时间比例，提高了信道的利用率。

2、多节点通信时平均时延短。本发明中，需要通信的多个源节点只需在一个传输周期的握手阶段完成握手，即可在本传输周期内向目的节点发送数据，无需等待至下一传输周期，有效地减少了通信的平均等待时间。

附图说明

图1为本发明实施例1中多节点快速通信的主流程图。

图2为本发明实施例1中多节点快速通信握手阶段的流程图。

图3为本发明实施例1中多节点快速通信传输阶段的流程图。

图4为本发明实施例1中多节点快速通信结束阶段的流程图。

图5为本发明实施例2中多节点快速通信的主流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施步骤作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此，以下若有未特别详细说明的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的，各参数变量或省略号的取值是本领域技术人员可根据实际情况确定的。

本发明实施例1为一个具有6个节点的水声通信网络，网络中节点随机分布且均能监听到其他节点的信号，各个节点的通信方式为全方向、半双工，通信所用的带宽为6KHz，声速为1500m/s。当网络中有N(1≤N≤6)个节点需要发送数据时，若采用现有的基于握手的水声网络媒体接入控制协议，每个传输周期只有一对节点可以相互通信，则N个节点需要N个传输周期才能完成传输，信道利用率低，通信时延大。本发明实施例1中，N个节点可以在同一个传输周期内传输数据而不发生冲突，从而能够有效地提高信道利用率和减少通信平均时延。

本发明实施例1采用以下步骤来实现竞争信道水声网络中的多节点快速通信，每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，其主流程如图1所示：

步骤A1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段。需要发起通信的节点广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则广播回复CTS信令，直至在预设的时间内再无新的RTS和CTS信令发出，握手阶段结束。每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的通信请求，其流程如图2所示。

实施例1中，当网络中有节点需要传输数据时，先侦听信道，待信道空闲时，网络启动新的传输周期并进入其中的握手阶段，需要发送数据的节点广播RTS信令，RTS中包含时间标签和待发送数据包的长度，上述时间标签为该RTS信令发送的时刻。以网络中有3个节点(按RTS发送的顺序记为s₁，s₂，s₃)需要分别向其余3个节点(记为d₁，d₂，d₃)发送数据的情况为例，节点s₁，s₂，s₃分别广播RTS信令，目的节点d₁，d₂，d₃同意与s₁，s₂，s₃通信时，广播回复CTS信令。CTS信令中包含时间标签，该时间标签为该CTS信令发送的时刻。各节点检测到任何一个CTS信令后开始计时，当计时时间与最后接收到的CTS信令中的时间标签之差大于预设的时间D＝D_max(D_max为网络中任意两节点的最大传输时延)时，握手阶段结束，各个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的通信请求。

步骤A2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺序，计算本节点可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。

上述实施例中，每个需要发送信息的节点以RTS的发送顺序来确定优先级，根据RTS信令中的时间标签，最先发送RTS的节点的优先级最高，因此节点s₁，s₂，s₃的优先级由高到低的顺序依次为s₁，s₂，s₃。每个节点发送数据的时刻采用以下方法计算：

步骤A2.1：优先级最高的源节点s₁以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送数据，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时。上述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻。上述实施例中，

步骤A2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，优先级为i的源节点s_i在以下时刻发送数据给相应的目的节点d_i

$T_i^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为第i个源节点发送数据的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间。

上述实施例中，以最后一个CTS包中时间标签为0时刻，源节点s₁发送数据的时刻为预设的

$T_1^{\mathrm{data}}=D_{\max }$

源节点s₂发送数据的时刻为

$T_2^{\mathrm{data}}=T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_2{d}_1},D_{s_1{d}_2}-D_{s_2{d}_2}\}+C$

源节点s₃发送数据的时刻为：

$\begin{array}{c}{T}_3^{\mathrm{data}}=\max \{T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_3{d}_1},D_{s_1{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\},\\ T_2^{\mathrm{data}}+P_2^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_2{d}_2}-D_{s_3{d}_2},D_{s_2{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\}\}+C\end{array}$

步骤A3：当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个接收到数据的目的节点按优先级顺序，计算本节点可以无冲突发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向相应的源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向相应的源节点发送NACK信令。当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。

上述实施例中，当目的节点d₁，d₂，d₃接收完数据后按优先级顺序发送ACK或NACK信令至源节点。每个接收到数据的目的节点的优先级与源节点优先级相同，即上述实施例中的目的节点的优先级由高到低的顺序为d₁，d₂，d₃。每个目的节点发送ACK或NACK信令的时刻采用以下方法计算：

步骤A3.1：优先级最高的目的节点d₁以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送ACK或NACK信令，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时。上述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻。上述实施例中，

步骤A3.2：以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，优先级为i的目的节点d_i在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$T_i^{\mathrm{ack}}=\max \{T_j^{\mathrm{ack}}+P_j^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，为数据从d_j传输s_i的时延，为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C为预设的保护时间。

上述步骤A3.2中，如果优先级为k的目的节点接收到两个以上源节点的信息，则在回复优先级最高的源节点的时刻同时向所有发送信息到该节点的源节点回复ACK或NACK信令。优先级低于k的目的节点计算发送时刻时，等于优先级为k的目的节点所回复的所有ACK或NACK信令持续时间及发送这些信令间的保护时间之和。

上述实施例中，由于d₁，d₂，d₃均只收到一个源节点的数据，因此以信道中最后一个数据包中时间标签(即该数据包发送的时刻)为0时刻，d₁发送ACK或NACK信令的时刻为

$T_1^{\mathrm{ack}}=D_{\max }$

d₂发送ACK或NACK信令的时刻为

$T_2^{\mathrm{ack}}=T_1^{\mathrm{ack}}+P_1^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_2{d}_1},D_{s_1{d}_2}-D_{s_2{d}_2}\}+C$

d₃发送ACK或NACK信令的时刻为

$\begin{array}{c}{T}_3^{\mathrm{ack}}=\max \{T_1^{\mathrm{ack}}+P_1^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_3{d}_1},D_{s_1{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\},\\ T_2^{\mathrm{ack}}+P_2^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_2{d}_2}-D_{s_3{d}_2},D_{s_2{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\}\}+C\end{array}$

上述实施例中，任意源节点s_i和目的节点d_i之间的时延采用以下方法估计：每个节点在网络建立阶段或空闲的时候，向其他节点广播各节点到本节点的延迟。

实施例1中，若某一源节点在同一传输周期内同时向多个目的节点发送不同的数据，则采用以下方法实现：

步骤B1：在握手阶段，上述源节点发送的RTS信令中按优先级顺序加入多个目的节点标识，相应的目的节点接收到该RTS信令后，如果可以接收，则回复CTS信令；

以s₁要发送数据给d₁、s₂要发送数据给d₁，d₂，d₃、s₃要发送数据给d₃为例，需要发送数据的节点先侦听信道，待信道空闲时发送RTS信令，相应的目的节点同意与源节点的通信，则回复CTS信令。在预设的时间D＝D_max内，共建立了5条链路：s₁→d₁、s₂→d₁、s₂→d₂、s₂→d₃和s₃→d₃。根据发送RTS信令的先后顺序，源节点的优先级从高到低的顺序依次是s₁，s₂，s₃，源节点s₂的RTS信令中依次加入d₁，d₂，d₃的标识。

步骤B2：在数据传输阶段，上述源节点按优先级顺序分别计算可以无冲突地发送数据到各目的节点的时刻，并在相应的时刻向各目的节点发送数据，其流程如图3所示。

当优先级为i的源节点s_i需发送数据到目的节点d_i1、d_i2、……、d_ik时，则对应于目的节点d_ik(k∈[1,K])的数据发送时刻采用下式计算：

$\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_{\mathrm{ik}}}-D_{s_i{d}_{\mathrm{ik}}},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}\\ +\underset{m=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}})+C\end{array}$

其中为s_i发送数据到d_ik的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送的数据包持续时间，C为预设的保护时间，为s_i发送给d_im的数据包的持续时间，为s_i发送数据到d_im时采用的保护时间。优先级低于上述源节点的其它源节点在计算发送数据时刻时，采用下式计算

$P_i^{\mathrm{data}}=\underset{m=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}})$

上述实施例中，以最后一个CTS包中时间标签为0时刻，s₁发送数据的时刻为预设的

$T_1^{\mathrm{ack}}=D_{\max }$

s₂向目的节点d₁，d₂，d₃发送数据的时刻分别为：

$T_{21}^{\mathrm{data}}=T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_2{d}_1},D_{s_1{d}_2}-D_{s_2{d}_2}\}+C$

$T_{22}^{\mathrm{data}}=T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_2{d}_1},D_{s_1{d}_2}-D_{s_2{d}_2}\}+(P_{21}^{\mathrm{data}}+C_{21}^{\mathrm{data}})+C$

$T_{23}^{\mathrm{data}}=T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_2{d}_1},D_{s_1{d}_2}-D_{s_2{d}_2}\}+(P_{21}^{\mathrm{data}}+C_{21}^{\mathrm{data}})+(P_{22}^{\mathrm{data}}+C_{22}^{\mathrm{data}})+C$

s₃发送数据的时刻为

$\begin{array}{c}{T}_3^{\mathrm{data}}=\max \{T_1^{\mathrm{data}}+P_1^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_1{d}_1}-D_{s_3{d}_1},D_{s_1{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\},\\ T_{23}^{\mathrm{data}}+P_{23}^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_2{d}_2}-D_{s_3{d}_2},D_{s_2{d}_3}-D_{s_3{d}_3}\}\}+C\end{array}$

其中

$P_2^{\mathrm{data}}=\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}})$

其中分别为s₂向目的节点d₁，d₂，d₃发送数据包的持续时间，为发送相邻两个数据包的保护时间。

步骤B3：在结束阶段，上述源节点对应的各目的节点按优先级顺序计算本节点可以无冲突发送ACK或NACK信令至上述源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向上述源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向上述源节点发送NACK信令。当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束，其流程如图4所示。

上述实施例中，目的节点d₁接收到来自s₁和s₂的数据，目的节点d₂接收到来自s₂的数据，目的节点d₃接收到来自s₂和s₃的数据。则目的节点d₁向源节点s₁和s₂发送ACK或NACK信令的时刻分别为

$T_{11}^{\mathrm{ack}}=D_{\max }$

$T_{12}^{\mathrm{ack}}=T_{11}^{\mathrm{ack}}+(P_{11}^{\mathrm{ack}}+C_{11}^{\mathrm{ack}})$

目的节点d₂向源节点s₂发送ACK或NACK信令的时刻为：

$T_2^{\mathrm{ack}}=T_{12}^{\mathrm{ack}}+P_{12}^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{d_1{s}_1}-D_{d_2{s}_1},D_{d_1{s}_2}-D_{d_2{s}_2}\}+C,$

目的节点d₃向源节点s₂和s₃发送ACK或NACK信令的时刻分别为：

$\begin{array}{c}{T}_{32}^{\mathrm{ack}}=\max \{T_{12}^{\mathrm{ack}}+P_{12}^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{d_1{s}_1}-D_{d_3{s}_1},D_{d_1{s}_3}-D_{d_3{s}_3}\},\\ T_2^{\mathrm{ack}}+P_2^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{d_2{s}_2}-D_{d_3{s}_2},D_{d_2{s}_3}-D_{d_3{s}_3}\}\}+C\end{array}$

$T_{33}^{\mathrm{ack}}=T_{32}^{\mathrm{ack}}+(P_{32}^{\mathrm{ack}}+C_{32}^{\mathrm{ack}})$

其中和分别为目的节点d₁向源节点s₁和s₂、目的节点d₂向源节点s₂、目的节点d₃向源节点s₂和s₃发送ACK或NACK信令的时刻，和分别为目的节点d₁向源节点s₁和s₂、目的节点d₂向源节点s₂、目的节点d₃向源节点s₂和s₃发送ACK或NACK信令的长度，为保护时间。

本发明实施例2与实施例1不同之处在于：

1、在结束阶段中，目的节点不发送ACK或NACK信令，最后一个数据包发送后，各节点比较该数据包的时间标签与当前时间的差值，若该差值大于预设的时间，则本传输周期结束，其主流程如图5所示。

2、节点s_i和d_i之间的延时采用以下方法估计：根据网络各节点的位置信息，计算s_i和d_i之间的距离L，则v为水中的声速。

Claims (9)

1.一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，具体步骤如下：

步骤A1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段，需要发起通信的节点广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则广播回复CTS信令，直至在预设的时间内再无新的RTS和CTS信令发出，握手阶段结束；每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的通信请求；

步骤A2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺序，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；

步骤A3：当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个接收到数据的目的节点按优先级顺序，计算本节点能无冲突发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向相应的源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向相应的源节点发送NACK信令；当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。

2.根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于步骤A2中，每个节点发送数据的时刻采用以下步骤计算：

步骤A2.1：优先级最高的源节点即第一个源节点s₁以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送数据，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时；所述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻；

步骤A2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，优先级为i的源节点s_i在以下时刻发送数据给相应的目的节点d_i，

$T_i^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为优先级为i的源节点即第i个源节点发送数据的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于上述步骤A3中，每个节点发送ACK或NACK信令的时刻采用以下步骤计算：

步骤A3.1：优先级最高的目的节点d₁以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送ACK或NACK信令，其中D_max为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时；所述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻；

步骤A3.2：以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，优先级为i的目的节点d_i在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$T_i^{\mathrm{ack}}=\max \{T_j^{\mathrm{ack}}+P_j^{\mathrm{ack}}+\max \{D_{s_j{d}_i}-D_{s_i{d}_i},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}+C$

其中为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，为数据从d_j传输s_i的时延，为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C为预设的保护时间。

4.根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于上述步骤A3.2中，如果优先级为k的目的节点接收到两个以上源节点的信息，则在回复优先级最高的源节点的时刻同时向所有发送信息到该节点的源节点回复ACK或NACK信令；优先级低于k的目的节点计算发送时刻时，等于优先级为k的目的节点所回复的所有ACK或NACK信令持续时间及发送这些信令间的保护时间之和，k为1～i。

5.根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于任意源节点s_i和目的节点d_j之间的时延采用以下过程估计：每个节点在网络建立阶段或空闲的时候，向网络其他节点广播各节点到本节点的延迟。

6.根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，任意源节点s_i和目的节点d_j之间的时延采用以下过程估计：根据网络各节点的位置信息，计算s_i和d_j之间的距离L，则v为水中的声速。

7.根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于源节点能用以下方法在同一传输周期内同时向多个目的节点发送不同的数据：

步骤B1：在握手阶段，该源节点发送的RTS信令中按优先级顺序加入多个目的节点标识，相应的目的节点接收到该RTS信令后，如果可以接收，则回复CTS信令；

步骤B2：在数据传输阶段，该源节点按优先级顺序分别计算能无冲突地发送数据到各目的节点的时刻，并在相应的时刻向各目的节点发送数据；

步骤B3：在结束阶段，上述源节点对应的各目的节点按优先级顺序计算本节点可以无冲突发送ACK或NACK信令至上述源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向上述源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向上述源节点发送NACK信令；当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。

8.根据权利要求7所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于步骤B2中，当优先级为i的源节点s_i需发送数据到目的节点d_i1、d_i2、……、d_ik时，则对应于目的节点d_ik(k∈[1,K])的数据发送时刻采用下式计算：

$\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{data}}=\max \{T_j^{\mathrm{data}}+P_j^{\mathrm{data}}+\max \{D_{s_j{d}_{\mathrm{ik}}}-D_{s_i{d}_{\mathrm{ik}}},D_{s_j{d}_j}-D_{s_i{d}_j}\left\}\right|j=1~i-1\}\\ +\underset{m=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}})+C\end{array}$

其中为s_i发送数据到d_ik的时刻，为数据从s_i传输到d_j的时延，为第i个源节点发送的数据包持续时间，C为预设的保护时间，为s_i发送给d_im的数据包的持续时间，为s_i发送数据到d_im时采用的保护时间；优先级低于上述源节点的其它源节点在计算发送数据时刻时，采用下式计算

$P_i^{\mathrm{data}}=\underset{m=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}+C_{\mathrm{im}}^{\mathrm{data}}).$

9.根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于结束阶段目的节点不发送ACK或NACK信令，最后一个数据包发送后，经过预设的一段时间，本传输周期结束。