CN106060873B - 基于主动时间反转的水声网络预约多址接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于主动时间反转的水声网络预约多址接入方法，涉及水声通信与水下网络技术领域，采取适用于分布式水声网络MAC层，节点间数据传输过程中的多址接入，避免了传输冲突，大大提高了一次传输成功的概率和信道利用率，降低了组网能耗，通过主动TR空时聚焦性，利用水声信道的空变特性，将劣势转化为优势，削弱水声信道的广播特性，不仅起到了有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰的关键作用，而且这种削弱信道广播性的特点赋予了该多址方法良好的传输隐蔽性与保密性，提高空间复用度，提高网络吞吐量，降低系统时延，节省了能量。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信与水下网络技术领域，尤其是一种水声网络的信道多址接入方法。
背景技术
在水声网络中，多址接入控制(MAC，Media Access Control)负责协调网络中所有结点高效、公平的接入信道，旨在避免不同结点接入共享信道时产生的传输冲突。若没有高效MAC机制的支持，网络中各结点在交互信息的过程中相邻链路之间产生的数据包传输碰撞，会降低网络的吞吐量、增加系统时延、造成非常低下的信道利用率和电池能量利用率，严重恶化网络性能。在带宽与能量资源均非常宝贵的水声网络中，设计适用于水声网络的高效MAC机制避免不必要的碰撞与重传，对于提高信道利用率和延长网络服役期(网络寿命)具有至关重要的作用与意义。
由于水声信号传播速度较低，避免接入数据之间的冲突，降低信号重传的概率，才能有效提高网络吞吐量，同时降低端到端传输时延。目前，水声网络的MAC协议主要分为三类：竞争型、竞争避免型和混合型。竞争型MAC协议的主要思想是当节点有数据发送时，首先进行信道预约，当预约成功后才能进行数据传输。竞争避免型MAC协议的主要思想是给网络中的节点预先分配信道，节点只能在属于自己信道内进行数据传输。混合型MAC协议是对两者的结合。
竞争型MAC协议，主要有时隙ALOHA、T-lohi、FAMA等协议，其主要目的在于降低数据冲突与重传的概率。时隙ALOHA将时间时隙化，当节点有数据要发送时只能在时隙开始时传输，控制数据冲突在一定时间段内，达到降低冲突的目的。T-lohi是对CSMA协议的改进，CSMA采用信道侦听的方式判断当前信道是否空闲。在水声环境中，对当前信道的侦听并不能准确判断当前信道是否空闲。T-lohi协议设置了一个竞争阶段，当节点有数据发送时，首先在竞争阶段发送竞争信号，当竞争阶段只有一个节点参与竞争时，节点获得信道。FAMA是一类基于MACA握手机制的MAC协议，当节点有数据发送时，通过发送请求(RTS)和回复确认(CTS)信息，明确信道的拥有权，获得信道的节点传输数据，其他节点保持沉默，以避免数据冲突。为了适应水声环境，FAMA延长了RTS和CTS的传输时间，以保证节点对信道的完全感知，避免对信道状态(空闲或使用)的误判引起的数据冲突。
竞争型MAC协议为了获得接入的灵活性，需要额外的时间开销和能量开销保证数据无冲突的传输，对于能量有限，传播时延较大的水声通信网络是不可取的。更重要的是，竞争型MAC协议无法保证完全的冲突避免，只是一定程度上降低了冲突的概率，冲突和重传会进一步消耗网络的能量资源，同时导致网络性能的恶化。
竞争避免型MAC机制如FDMA、CDMA、TDMA等，通过为不同链路或结点分配专用的信道资源(频带、伪随机序列码、时隙)，达到避免信道竞争进而化解冲突的目的。然而考虑到水声信道可用带宽有限，且子频带之间需要保护间隔防止干扰，使得分配给用户的有效子频带带宽更小，这使得FDMA在水声网络的应用受到很大制约。TDMA将时间划分为时隙，所有结点依据时隙占用信道，冲突避免的同时也具有一定的节能优势。然而声波传播速度低且受海洋环境影响较大，导致TDMA多址接入所需的精确时间同步难以实现且存在时隙保护间隔过大的问题。CDMA多址接入允许多个用户同时进行数据传输，结点可以利用链路的全部带宽，接收机利用伪随机序列区分不同的用户。然而，CDMA应用于分布式多跳网络存在的更为复杂的远近效应问题与接收机硬件需求，使得其在水声网络中的实现变得复杂。
在现有的水声网络信道接入方法中，竞争型MAC协议为了获得接入的灵活性，需要额外的时间开销和能量开销保证数据无冲突的传输，对于能量有限，传播时延较大的水声通信网络是不可取的。更重要的是，竞争型MAC协议无法保证完全的冲突避免，只是一定程度上降低了冲突的概率，冲突和重传会进一步消耗网络的能量资源，同时导致网络性能的恶化。竞争避免型MAC协议在划分频带、伪随机序列码、时隙的过程中，也具有不能完全避免冲突、产生远近效应、时间同步难以实现的问题。如何在能量与带宽受限的前提下，完全避免冲突与碰撞，提高成功传输的概率，成为水声网络信道接入的关键。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决现有水下网络多址接入过程中产生的传输冲突而造成的信道利用率低、传播时延长、能量利用率低等问题，针对水下无线多跳分布式网络节点数量多、带宽与能耗有限等特点，本发明给出了一种基于主动TR的分布式水声网络探针预约多址接入方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案详细步骤如下：
步骤1：节点A判断自身在链路时变周期T内是否收到来自节点B的探针包，当节点A在T内收到了来自节点B的探针包，判断探针包的Lifetime是否小于Tcl，其中Lifetime为A节点接收到探针包的时刻与当前时刻的时间差，干扰时间Tcl＝2tp+ttr，数据包传播时间tp＝d/c，d为节点间最大距离，c为水声传播的速度，数据包传输时延ttr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率，且满足T＞Tcl：
若Lifetime＜Tcl，等待Tcl-Lifetime时间之后执行步骤3；
若Lifetime≥Tcl，直接执行步骤3；
如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的探针包，则执行步骤2；
步骤2：节点A向节点B发送探针请求包，然后处于等待状态，若在Tth时间内节点A收到来自节点B的探针包，执行步骤3；否则，节点A重新向节点B发送探针请求包，直到节点A重新向节点B发送探针请求包的次数超过探针请求包的最大重传次数Nmax，则进入步骤6，其中，重传等待时间Tth＝2tp+ttr+Δ，Δ为保护时间；
步骤3：节点A基于接收到的探针包对真实信道hAB(t)进行估计，得到信道冲激响应gAB(t)，然后将拟传输信息序列与时反后的gAB(t)进行卷积，在确定的调制方式下，依据接收端的误码率要求，根据被动声纳方程计算节点A所需最小发射功率，发送端A节点选取该最小发射功率向B节点发送时反处理后的数据
步骤4：节点B判断自身是否成功收到步骤3中的数据包经过信道后的数据若收到，进行信道估计得到gBA(t)，然后立即向节点A发送时反处理后的确认包信号然后处于空闲状态，并进入步骤5；若节点B没收到步骤3中的数据包经过信道后的数据，直接进入步骤5；
步骤5：节点A判断自身在Tth内是否收到来自节点B的确认包，若收到，则执行步骤6；若没收到来自节点B的确认包，节点A向节点B重新发送并执行步骤4，直到节点A向节点B重新发送数据包的次数超过数据包最大重传次数Nmax，则进入步骤6；
步骤6：数据接入的过程结束，任务完成。
本发明的有益效果是由于采取适用于分布式水声网络MAC层，节点间数据传输过程中的多址接入，避免了传输冲突，大大提高了一次传输成功的概率和信道利用率，降低了组网能耗；通过主动TR空时聚焦性，利用水声信道的空变特性，将劣势转化为优势，削弱水声信道的广播特性，不仅起到了有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰的关键作用，而且这种削弱信道广播性的特点赋予了该多址方法良好的传输隐蔽性与保密性，提高空间复用度，提高网络吞吐量，降低系统时延，节省了能量。
附图说明
图1是本发明基于声波的低传播速度导致的空时不确定性示意图，其中A、C为发送端，B表示接收端，图1(a)表示同时发送数据包，接收端不发生冲突，图1(b)表示不同时间发送数据包却在接收节点处发生冲突。
图2是本发明单阵元主动TR水声通信系统示意图，其中X为发送端，Y为接收端，TR(g)为根据探针包估计得到的时反信道冲击响应。
图3是本发明基于探针预约的书生网络主动TR随机多址接入方法。
图4是本发明基于主动TR探针侦听的网络拓扑模型，其中，该拓扑中i,j为发射节点，m,n分别为对应的接收节点，i-m和j-n为两条活跃链路，i-n和j-m为干扰链路。
图5是本发明基于图3的拓扑的物理层仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
时间反转(TR，Time Reversal)处理基于传输互易性与时反不变性原理，能够利用复杂多径信道的空变特性实现接收的多径信号在时间上的压缩和空间上的聚焦。一方面，主动TR的时间聚焦性使目标结点处各多径信号同时同相位叠加，实现了多径分集，有效抵消码间干扰的同时也提高了信噪比；另一方面，主动TR的空间聚焦性使得只有目标结点处能收到能量强且时间压缩的信号，空间上其他位置的接收到的信号能量非常小，大大降低信号在非目标结点处的能量污染，进而达到抑制非期望用户干扰的目的。水声环境下TR能够利用海洋自身完成对信道冲激响应的空时匹配滤波。水声信道的空变特性(图1)使得网络中不同链路间信道的互相关性变弱，利用主动TR的空时聚焦性削弱水声信道的广播特性，有效减小信道接入过程中并行链路间的传输干扰提高空间复用度。
其中图1是本发明基于声波的低传播速度导致的空时不确定性示意图，图1(a)表示同时发送数据包，接收端不发生冲突，图1(b)表示不同时间发送数据包却在接收节点处发生冲突。
假设分布式多跳水声网络链路间信道保持弱相关性，在物理层建立一个单阵元主动TR水声通信系统，如图2所示，在MAC层建立如图3所示基于主动TR的分布式多跳水声网络探针预约多址接入方法，用xAB(t)表示节点A欲发送到节点B的数据包；xACK(t)表示节点B发送到节点A的确认包信号；hAB(t)为AB间真实信道冲击响应；当节点A有数据发送至节点B时，执行步骤如下：
步骤1：节点A判断自身在链路时变周期T内是否收到来自节点B的探针包，考虑到水声信道的时变性，认为信道在链路时变周期T内的变化非常缓慢；当节点A在T内收到了来自节点B的探针包，判断探针包的Lifetime是否小于Tcl，其中Lifetime为A节点接收到探针包的时刻与当前时刻的时间差，干扰时间Tcl＝2tp+ttr，数据包传播时间tp＝d/c，d为节点间最大距离，c为水声传播的速度，数据包传输时延ttr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率，且满足T＞Tcl：
若Lifetime＜Tcl，等待Tcl-Lifetime时间之后执行步骤3；
若Lifetime≥Tcl，直接执行步骤3；
如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的探针包，则执行步骤2；
步骤2：节点A向节点B发送探针请求包，然后处于等待状态，若在Tth时间内节点A收到来自节点B的探针包，执行步骤3；否则，节点A重新向节点B发送探针请求包，直到节点A重新向节点B发送探针请求包的次数超过探针请求包的最大重传次数Nmax，则进入步骤6，其中，重传等待时间Tth＝2tp+ttr+Δ，Δ为保护时间；
步骤3：节点A基于接收到的探针包对真实信道hAB(t)进行估计，得到信道冲激响应gAB(t)，然后将拟传输信息序列与时反后的gAB(t)进行卷积，在确定的调制方式下，依据接收端的误码率要求，根据被动声纳方程计算节点A所需最小发射功率，发送端A节点选取该最小发射功率向B节点发送时反处理后的数据
步骤4：节点B判断自身是否成功收到步骤3中的数据包经过信道后的数据若收到，进行信道估计得到gBA(t)，然后立即向节点A发送时反处理后的确认包信号然后处于空闲状态，并进入步骤5；若节点B没收到步骤3中的数据包经过信道后的数据，直接进入步骤5；
步骤5：节点A判断自身从发送数据包时刻开始，在Tth内是否收到来自节点B的确认包，若收到，则执行步骤6；若没收到来自节点B的确认包，节点A向节点B重新发送并执行步骤4，直到节点A向节点B重新发送数据包的次数超过数据包最大重传次数Nmax，则进入步骤6；
步骤6：数据接入的过程结束，任务完成。
本发明利用复杂海洋信道空变特性采用基于主动TR空时聚焦性削弱水声信道广播特性的方式，建立一个基于主动TR探针侦听的网络拓扑模型，如图4所示。
对于当前活跃链路(i～m)，xim(t)为节点i发送到节点m的数据包，gim(t)为节点i接收到来自节点m探针包估计出的信道冲击响应，gim(-t)为对估计到的im间信道冲击响应进行时间反转，him(t)为节点i与节点m间真实信道冲击响应；由于gim(t)逼近于信道him(t)使得多径信号分量在接收结点m处同时间同相位叠加，信号能量增加。对于另外一条活跃链路(j～n)，xjn(t)为节点j发送到节点n的数据包，gjn(t)为节点j接收到来自节点n探针包估计出的信道冲击响应，gjn(-t)为对估计到的jn间信道冲击响应进行时间反转；hjn(t)为节点j与节点n间真实信道冲击响应；由于结点j在发送信号前所做的TR处理是针对hjn(t)的，该链路传送的信号在结点n处同时间同相位叠加，而在结点m处无法得到空时聚焦。
其中，公式(1)中yim(t)为结点m处的接收信号，n(t)是m节点接收到的噪声，公式(2)与公式(3)中pSig与pIUI分别表示m结点的有用信号功率与干扰信号功率，Ex[(·)2]是对括号内数据平方求期望，公式(4)式中E[pSig]表示平均信号功率，E[pIUI]表示平均干扰功率，σ2为噪声功率,SNRavg表示平均信号干扰噪声功率比，其中这时由于水声信道的空变特性使得hjn(t)与hjm(t)之间的相关性一般比较弱，导致干扰链路在接收结点m处能量小，从而保证两条活跃链路同时占用信道而不发生传输冲突。
采用matlab对发明的性能进行仿真，由图4所示的四节点网络拓扑，采用BPSK调制，初始发射功率相同，载波频率为1KHz，采样频率为10KHz，码元宽度为0.01s，通信距离为1000m，干扰距离为2000m，码元总数为100000个。利用实验室2014年9月在南海981平台附近测得的声速分布数据，使用水声信道模拟软件BELLHOP仿真并计算收发结点在复杂海洋环境下空间位置变化时对应的信道冲激响应，得到节点间的本征声线图。通过对活跃链路加入时间反转前后的结果对比，如图5所示，我们可以看出加入时反后误码率明显降低，并且由图中无干扰加时反与干扰加时反两条线对比可知，加入时反后可以有效抵抗网络中不同链路间的干扰，从而提高网络的吞吐量。由以上结论，本发明可以完全避免网络中MAC层在接入过程中的数据碰撞，大大提高信道的利用率和网络的寿命。
Claims (1)
1.一种基于主动时间反转的水声网络预约多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：节点A判断自身在链路时变周期T内是否收到来自节点B的探针包，当节点A在T内收到了来自节点B的探针包，判断探针包的Lifetime是否小于Tcl，其中Lifetime为A节点接收到探针包的时刻与当前时刻的时间差，干扰时间Tcl＝2tp+ttr，数据包传播时间tp＝d/c，d为节点间最大距离，c为水声传播的速度，数据包传输时延ttr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率，且满足T＞Tcl：
若Lifetime＜Tcl，等待Tcl-Lifetime时间之后执行步骤3；
若Lifetime≥Tcl，直接执行步骤3；
如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的探针包，则执行步骤2；
步骤2：节点A向节点B发送探针请求包，然后处于等待状态，若在Tth时间内节点A收到来自节点B的探针包，执行步骤3；否则，节点A重新向节点B发送探针请求包，直到节点A重新向节点B发送探针请求包的次数超过探针请求包的最大重传次数Nmax，则进入步骤6，其中，重传等待时间Tth＝2tp+ttr+Δ，Δ为保护时间；
步骤3：节点A基于接收到的探针包对真实信道hAB(t)进行估计，得到信道冲激响应gAB(t)，然后将拟传输信息序列与时反后的gAB(t)进行卷积，在确定的调制方式下，依据接收端的误码率要求，根据被动声纳方程计算节点A所需最小发射功率，发送端A节点选取该最小发射功率向B节点发送时反处理后的数据
步骤4：节点B判断自身是否成功收到步骤3中的数据包经过信道后的数据其中，变量XAB(t)代表节点A发送到节点B的数据包，gAB(-t)表示节点A接收到来自节点B探针包，估计出的信道冲击响应gAB(t)，gAB(t)进行时反处理后得到的就是gAB(-t)；gBA(t)表示节点B接收到来自节点A的数据包，估计出的信道冲击响应gBA(t)，把gBA(t)进行时反处理后得到的就是gBA(-t)；若收到，进行信道估计得到gBA(t)，然后立即向节点A发送时反处理后的确认包信号其中，xACK(t)表示节点B接收到来自节点A的数据包，立即向节点A发送确认包xACK(t)，然后处于空闲状态，并进入步骤5；若节点B没收到步骤3中的数据包经过信道后的数据，直接进入步骤5；
步骤5：节点A判断自身在Tth内是否收到来自节点B的确认包，若收到，则执行步骤6；若没收到来自节点B的确认包，节点A向节点B重新发送并执行步骤4，直到节点A向节点B重新发送数据包的次数超过数据包最大重传次数Nmax，则进入步骤6；
步骤6：数据接入的过程结束，任务完成。
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