CN105933985B - 基于距离远近自适应选择时隙的水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于距离远近自适应选择时隙的水声通信方法。本发明的目的是提供一种自适应时隙选择水声通信方法，为了充分利用水声通信的特点，协议首先测量各个从节点和主节点之间的数据传输时间，根据传输时间的长短形成队列关系，充分利用这种距离远近的差别形成各个从节点数据到达主节点的交错，避免到达数据的碰撞；为了提高初始化阶段成功率，基于随机算法人为产生延迟系数，可有效避免握手数据碰撞，有效节省发送时间，缩短发送周期，提高发送效率。

Description

基于距离远近自适应选择时隙的水声通信方法

技术领域：

本发明属于水声传感器通信技术领域，具体的说是一种针对集中式拓扑结构的水声传感器网络通信方法，根据节点之间的距离远近确定发送顺序和发送时隙，简化传感器网络的同步环节，有效节约数据传输用时。

背景技术：

水下通信网是由布放在水下的传感器节点和海面浮标节点组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维网络，可以对信息进行采集、处理，并通过水下通信节点以中继方式回传到陆基或船基信息控制中心的综合系统。

陆地上通常使用的无线电通信方式是以电磁波为载体，电磁波在水中传播时，被大量吸收而快速衰减，作用距离十分有限。而声波在水下有着良好的传播性能，频率范围在1Hz～50kHz之间的声波在水中的衰减系数约为10^-4dB/m～10^-2dB/m。使用声波作为水声通信的载体，设备简单，只需使用水声换能器将电、声信号进行转换即可实现。现阶段，以声波为载体的水声通信是实现水下无线通信的主要形式，发展水声通信技术无论是在军事方面还是在民用方面都有着重要而实际的意义。

相对于陆地通信，水声通信有其自身的特点：可用信道带宽窄，误码率高；数据传输率低，深海中声波传播距离和波特率的乘积在垂直方向上具有40km×kbps的上限；由于水声传播速度为1500m/s，导致传播时延较大。所有这些特点表明，陆地通信网络的接入协议并不适合水下网络。常用的水下传感器网络接入协议包括基于竞争的和基于固定分配的。为了避免碰撞发生，同时为了避免隐藏和暴露节点的问题，基于竞争的接入协议存在大量的握手时间，造成了传输效率低下。相对而言，设计合理的固定分配接入协议可有效提高传输效率。

本发明是基于距离远近自适应选择时隙的水声通信方法，可有效满足集中式拓扑结构水声通信的要求，在满足实时性要求的同时满足有效性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种自适应时隙选择水声通信方法，为了充分利用水声通信的特点，协议首先测量各个从节点和主节点之间的数据传输时间，根据传输时间的长短形成队列关系，充分利用这种距离远近的差别形成各个从节点数据到达主节点的交错，避免到达数据的碰撞；为了提高初始化阶段成功率，基于随机算法人为产生延迟系数，可有效避免握手数据碰撞，有效节省发送时间，缩短发送周期，提高发送效率。

本发明采用的技术方案是：

第一步：确定簇内的主节点和从节点，主节点负责汇总、传递数据，从节点负责采集传递数据给主节点，对簇内的从节点进行编号，编号代表相应节点的ID号，假设一个簇有I个从节点；

第二步：设计广播帧、控制帧和数据帧三种帧类型，广播帧的作用是通知从节点调整数据发送时刻，减轻或避免由于从节点位置飘移、传播时延抖动等问题造成的数据碰撞，控制帧的作用是对从节点的上行数据做出应答，确认接收成功或请求重传，数据帧是从节点发送给主节点的采集数据；

第三步：开始系统初始化，从节点i按照随机算法产生一个延迟系数K_i，为使主节点有足够计算时间，尽量使各从节点的延迟系数差别大一些，通过公式(1)计算从节点i的初始化响应时间；

T_Ci＝K_i×ΔT (1)

第四步：主节点O向周围的从节点广播时间表注册指令RIS，并记录当前时刻T_s，注册指令包含从节点的注册信息；

第五步：从节点i收到RIS指令后，延迟T_Ci时间发送时间表注册响应信号CIS，CIS信息包含从节点i的ID号、延迟时间T_Ci；

第六步：主节点收到从节点i回复的CIS信号后记录当前时刻T_Ri，设主、从节点的传输时延为T_D，按照公式(2)计算主节点到从节点i的传输时延T_Di，主节点纪录从节点编号和相应传输时延，完成对从节点i的注册；

T_Di＝(T_Ri-T_s-T_Ci)/2 (2)

第七步：主节点统计簇内被记录的从节点信息，如发现簇内有的从节点信息未被注册，则主节点需重新发送注册指令RIS；

第八步：从节点根据RIS指令判断是否被注册，如已注册则不回复CIS信号，如没有注册则须按照原延迟时间重新发送CIS信号；

第九步：重复步骤四到步骤八，直到簇内从节点均被记录；

第十步：主节点根据I个从节点的传输时延值从小到大进行排序，最小传输时延用T_Dmin表示，最大传输时延用T_Dmax表示，用j＝1，2，K，I对排序后的传输时延进行编号，传输时延值相等的情况下，先完成注册的排在前面，用T_DCj，j＝1，2，K，I表示重新编号以后的传输时延，则T_DC1＝T_Dmin，T_DC1＝T_Dmax，主节点记录从节点ID号和相应的时延编号；

第十一步：主节点根据对从节点的时延编号，按照公式(3)计算各从节点的数据发送调整时间T_m，编号为j的数据发送调整时间用T_m，j表示；

T_m，j＝(T_c+T_p)+T_Dmin+(j-1)*(T_g+T_data)-2*T_DCj (3)

其中，j＝1，2，K，I，T_c为广播帧持续时间，T_p为控制帧持续时间，T_g为保护间隔，T_data为数据帧持续时间，T_c、T_p、T_g、T_data均为常量。

第十二步：主节点按公式(4)计算工作周期T；

T＝(T_c+T_p)+T_Dmin+N*(T_g+T_data) (4)

第十三步：主节点根据各个从节点的发送调整时间，在本地时间轴上建立对应的数据接收区间，并将时间表信息通过广播的方式发送给各个从节点，时间表信息包括从节点ID号、工作周期T、传播时延T_D、数据发送调整时间T_m；

第十四步：从节点依据本节点的ID从时间表信息获取数据发送调整时间，将本节点的工作时隙映射到本地时间轴上；

第十五步：从节点根据本地时钟，在规定的时隙发送数据，发送完后即进入休眠状态，在下一个时钟周期的广播帧和控制帧到来之前自动唤醒，查看是否需要调整数据发送时间，是否需要重发；

第十六步：主节点依据各个从节点的数据发送调整时间、传播时延、系统工作周期计算从节点数据的理论到达时间，和实际到达时间比对，看时间差是否超过如超过则在下一周期的广播帧通知从节点及时调整数据发送时间，主节点判断到达数据是否发生碰撞，在下一周期的控制帧通知从节点是否需要重发。

附图说明

图1为簇的结构图；

图2为广播帧的帧结构；

图3为控制帧的帧结构；

图4为数据帧的帧结构；

图5为主节点工作周期；

图6为从节点j的工作周期；

具体实施方式：

本发明采用的技术方案是：

第一步：确定簇内的主节点和从节点，主节点负责汇总、传递数据，从节点负责采集传递数据给主节点，对簇内的从节点进行编号，编号代表相应节点的ID号，假设一个簇有10个从节点，簇的半径是1km；

第二步：设计广播帧、控制帧和数据帧三种帧类型，广播帧的作用是通知从节点调整数据发送时刻，减轻或避免由于从节点位置飘移、传播时延抖动等问题造成的数据碰撞，控制帧的作用是对从节点的上行数据做出应答，确认接收成功或请求重传，数据帧是从节点发送给主节点的采集数据；

第三步：开始系统初始化，从节点i按照随机算法产生一个延迟系数K_i，为使主节点有足够计算时间，尽量使各从节点的延迟系数差别大一些，通过公式(1)计算从节点i的初始化响应时间，ΔT＝0.1s；

T_Ci＝K_i×ΔT (1)

第四步：主节点O向周围的从节点广播时间表注册指令RIS，并记录当前时刻T_s，注册指令包含从节点的注册信息；

第五步：从节点i收到RIS指令后，延迟T_Ci时间发送时间表注册响应信号CIS，CIS信息包含从节点i的ID号、延迟时间T_Ci；

第六步：主节点收到从节点i回复的CIS信号后记录当前时刻T_Ri，设主、从节点的传输时延为T_D，按照公式(2)计算主节点到从节点i的传输时延T_Di，主节点纪录从节点编号和相应传输时延，完成对从节点i的注册；

T_Di＝(T_Ri-T_s-T_Ci)/2 (2)

第七步：主节点统计簇内被记录的从节点信息，如发现簇内有的从节点信息未被注册，则主节点需重新发送注册指令RIS；

第八步：从节点根据RIS指令判断是否被注册，如已注册则不回复CIS信号，如没有注册则须按照原延迟时间重新发送CIS信号；

第九步：重复步骤四到步骤八，直到簇内的从节点全被记录完；

第十步：主节点根据10个从节点的传输时延值从小到大进行排序，最小传输时延用T_Dmin表示，最大传输时延用T_Dmax表示，用j＝1，2，K，10对排序后的传输时延进行编号，传输时延值相等的情况下，先完成注册的排在前面，用T_DCj，j＝1，2，K，10表示重新编号以后的传输时延，T_DC1＝T_Dmin，T_DC10＝T_Dmax，主节点记录从节点ID号和相应的时延编号；

第十一步：主节点根据对从节点的时延编号，按照公式(3)计算各从节点的数据发送调整时间T_m，编号为j的数据发送调整时间用T_m，j表示；

T_m，j＝(T_c+T_p)+T_Dmin+(j-1)*(T_g+T_data)-2*T_DCj (3)

其中，j＝1，2，K，10，T_c为广播帧持续时间，取0.232s，T_p为控制帧持续时间，取0.232s，T_data为数据帧持续时间，取1.856s，T_g为保护间隔，设置为最大传输时延的0.1倍。

第十二步：主节点按公式(4)计算工作周期T；

T＝(T_c+T_p)+T_Dmin+N*(T_g+T_data) (4)

第十三步：主节点根据各个从节点的数据发送调整时间，在本地时间轴上建立对应的数据接收区间，并将时间表信息通过广播的方式发送给各个从节点，时间表信息包括从节点ID号、工作周期T、传播时延T_D、数据发送调整时间T_m；

第十四步：从节点依据本节点的ID从时间表信息获取数据发送调整时间，将本节点的工作时隙映射到本地时间轴上；

第十五步：从节点根据本地时钟，在规定的时隙发送数据，发送完后即进入休眠状态，在下一个时钟周期的广播帧和控制帧到来之前自动唤醒，查看是否需要调整数据发送时间，是否需要重发；

第十六步：主节点依据各个从节点的数据发送调整时间、传播时延、系统工作周期计算从节点数据的理论到达时间，和实际到达时间比对，看时间差是否超过如超过则在下一周期的广播帧通知从节点及时调整数据发送时间，主节点判断到达数据是否发生碰撞，在下一周期的控制帧通知从节点是否需要重发。

Claims (1)

1.基于距离远近自适应选择时隙的水声通信方法，其特征在于如下步骤：

第一步：确定簇内的主节点和从节点，主节点负责汇总、传递数据，从节点负责采集传递数据给主节点，对簇内的从节点进行编号，编号代表相应节点的ID号，假设一个簇有I个从节点；

第二步：设计广播帧、控制帧和数据帧三种帧类型，广播帧的作用是通知从节点调整数据发送时刻，减轻或避免由于从节点位置漂移、传播时延抖动问题造成的数据碰撞，控制帧的作用是对从节点的上行数据做出应答，确认接收成功或请求重传，数据帧是从节点发送给主节点的采集数据；

第三步：开始系统初始化，从节点i按照随机算法产生一个延迟系数K_i，为使主节点有足够计算时间，尽量使各从节点的延迟系数差别大一些，通过公式(1)计算从节点i的初始化响应时间，ΔT＝0.1秒；

T_Ci＝K_i×ΔT (1)

第四步：主节点O向周围的从节点广播时间表注册指令RIS，并记录当前时刻T_s，注册指令包含从节点的注册信息；

第五步：从节点i收到RIS指令后，延迟T_Ci时间发送时间表注册响应信号CIS，CIS信息包含从节点i的ID号、延迟时间T_Ci；

第六步：主节点收到从节点i回复的CIS信号后记录当前时刻T_Ri，设主、从节点的传输时延为T_D，按照公式(2)计算主节点到从节点i的传输时延T_Di，主节点记录从节点编号和相应传输时延，完成对从节点i的注册；

T_Di＝(T_Ri-T_s-T_Ci)/2 (2)

第七步：主节点统计簇内被记录的从节点信息，如发现簇内有的从节点信息未被注册，则主节点需重新发送注册指令RIS；

第八步：从节点根据RIS指令判断是否被注册，如已注册则不回复CIS信号，如没有注册则须按照原延迟时间重新发送CIS信号；

第九步：重复步骤四到步骤八，直到簇内从节点均被记录；

第十步：主节点根据I个从节点的传输时延值从小到大进行排序，最小传输时延用T_Dmin表示，最大传输时延用T_Dmax表示，用j＝1，2，...，I对排序后的传输时延进行编号，传输时延值相等的情况下，先完成注册的排在前面，用T_DCj，j＝1，2，...，I表示重新编号以后的传输时延，则T_DC1＝T_Dmin，T_DCl＝T_Dmax，主节点记录从节点ID号和相应的时延编号；

第十一步：主节点根据对从节点的时延编号，按照公式(3)计算各从节点的数据发送调整时间T_m，编号为j的数据发送调整时间用T_m，j表示；

T_m，j＝(T_c+T_p)+T_Dmin+(j-1)*(T_g+T_data)-2*T_DCj (3)

其中，j＝1，2，...，I，T_c为广播帧持续时间，T_p为控制帧持续时间，T_g为保护间隔，T_data为数据帧持续时间，T_c、T_p、T_g、T_data均为常量；

第十二步：主节点按公式(4)计算工作周期T，公式中N代表从节点发送数据总帧数；

T＝(T_c+T_p)+T_Dmin+N*(T_g+T_data) (4)

第十三步：主节点根据各个从节点的发送调整时间，在本地时间轴上建立对应的数据接收区间，并将时间表信息通过广播的方式发送给各个从节点，时间表信息包括从节点ID号、工作周期T、传播时延T_D、数据发送调整时间T_m；

第十四步：从节点依据本节点的ID从时间表信息获取数据发送调整时间，将本节点的工作时隙映射到本地时间轴上；

第十五步：从节点根据本地时钟，在规定的时隙发送数据，发送完后即进入休眠状态，在下一个时钟周期的广播帧和控制帧到来之前自动唤醒，查看是否需要调整数据发送时间，是否需要重发；

第十六步：主节点依据各个从节点的数据发送调整时间、传播时延、系统工作周期计算从节点数据的理论到达时间，和实际到达时间比对，看时间差是否超过如超过则在下一周期的广播帧通知从节点及时调整数据发送时间，主节点判断到达数据是否发生碰撞，在下一周期的控制帧通知从节点是否需要重发。