CN106332299A - 包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，包括：布放静态节点；运动节点进入水声通信网络的通信范围后，确定本节点当前相对上述坐标系统的位置及速度矢量，并在信道空闲时向水声通信网络中的其他节点广播加入网络信令；当节点有数据需要发送时，在新的传输周期参与信道的竞争，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，并在该时刻发送数据；当运动节点需要退出网络时，在信道空闲时向其他节点广播退出网络信令，其他节点接收到该信令后。本发明能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延，可以广泛用于各种包含运动节点的水声通信网、水声传感网等场合。

Description

包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，特别涉及一种包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法。

背景技术

水声通信网络在水下勘探、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，但由于水声信道具有频带窄、时延长、能量受限等特点，因此陆上的组网技术用于水下时效率会显著下降，需要针对水声环境的特点修改或重新设计组网协议。

在典型的水声网络应用中，一个水下网络常常由若干个位置相对固定的静态传感节点和少数可自主移动的运动节点(如AUV等)共同构成，其信道的共享方式主要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，并且当网络节点的增加超出预期时信道的分配不够灵活，不利于运动节点的管理。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，且当网络节点数量发生变化时信道的分配也较为简单，很适合用于具有运动节点的场合，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，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，但由于水声信道中时延很长，现有技术存在着以下的不足：

(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。

为了解决上述问题，中国发明专利CN201410714302中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并行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，但该方法只针对所有节点均为静态节点的网络，不能很好地适应包含运动节点的水下应用的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，该方法根据各节点的位置和速度信息来安排源节点的数据发送时刻，使得水声网络能在同一个传输周期内实现多组节点数据的无冲突并行传输，能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延，可以广泛用于各种包含运动节点的水声通信网、水声传感网等场合。

本发明提供的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，包含以下步骤：

步骤1：布放静态节点，由静态节点组建水声通信网络，并根据静态节点布放的位置建立坐标系统，确定所有静态节点的坐标。

步骤2：运动节点进入水声通信网络的通信范围后，确定本节点当前相对上述坐标系统的位置及速度矢量，并在信道空闲时向其他节点广播加入网络信令，其他节点接收到该信令后，记录新增的运动节点。

步骤3：当节点有数据需要发送时，在新的传输周期参与信道的竞争，根据本节点的当前位置和速度矢量，以及本次传输周期中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，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，并在该时刻发送数据。

步骤4：当运动节点需要退出网络时，在信道空闲时向其他节点广播退出网络信令，其他节点接收到该信令后，删除所记录的上述运动节点的信息。

上述步骤3中，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3.1：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。所有RTS和CTS信令中包含该RTS或CTS信令发送的时刻，RTS中包含待发送数据的长度，若移动节点作为源节点或目的节点时，其RTS或CTS信令中还包含上述移动节点的当前位置和速度矢量。每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的源节点和相应的目的节点。

步骤3.2：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，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并计时，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。上述静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0。

步骤3.3：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和ACK或NACK信令的长度，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并计时，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。上述静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0，ACK和NACK信令具有相同的长度。当最后一个目的节点发送完ACK或NACK信令后，经过预设的时间，本传输周期结束。

上述的步骤3.2中，每个节点发送数据的时刻采用以下方法计算：

步骤3.2.1：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传输阶段的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，为预设的延时。上述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻。

步骤3.2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为传输阶段的0时刻，优先级为i的源节点s_i按式(1)顺次计算出优先级为2～i的所有源节点发送数据的时刻，并在T_i ^data时刻发送数据给相应的目的节点d_i

$\begin{array}{c}{T}_i^{data}=\underset{T_i^{data}}{\arg \min }\{T_i^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\}+C^{data}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{data}+D_{s_i{d}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\\ and& T_i^{data}+D_{s_i{d}_j}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_j}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

其中T_i ^data为第i个源节点发送数据的时刻，P_i ^data为第i个源节点发送数据包的持续时间，C^data为预设的保护时间，为源节点s_k(k＝1～i)在t时刻发送的数据传输到目的节点d_l(l＝1～i)的时延，采用下式计算

$D_{s_k{d}_l}\left(t\right)=\frac{-B_{kl}\left(t\right)-\sqrt{B_{kl}^2\left(t\right)-4A_{kl}{C}_{kl}\left(t\right)}}{2A_{kl}}---\left(2\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{kl}=|v^{d_l}{|}^2-c^2\\ B_{kl}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t\left)\right)}^T{v}^{d_l}\\ C_{kl}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{t_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在传输阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

上述步骤3.2.2中，T_i ^data采用以下方法计算：

步骤3.2.2.1：设置T_i ^data的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.2.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{data}\right)=T_{i,l}^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{data}+P_i^{data})---\left(4\right)$

步骤3.2.2.3：所有中，令式(4)取值最小且满足式(1)约束条件的即为T_i ^data近似值。

上述的步骤3.3中，每个节点开始接收ACK或NACK的时刻和结束接受ACK或NACK的时刻采用以下的方法计算：

步骤3.3.1：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结束阶段的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，为预设的延时。上述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻。

步骤3.3.2：以最后一个数据包中时间标签为结束阶段的0时刻，优先级为i的目的节点d_i按式(5)顺次计算出优先级为2～i的所有目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，并在T_i ^ack时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$\begin{array}{c}{T}_i^{ack}=\underset{T_i^{ack}}{\arg \min }\{T_i^{ack}+P_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\}+C^{ack}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\\ and& T_i^{ack}+D_{d_i{s}_j}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_j}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}\end{array}---\left(5\right)$

其中T_i ^ack为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，P_i ^ack为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C^ack为预设的保护时间，为ACK或NACK信令从目的节点d_l(l＝1～i)传输到源节点s_k(k＝1～i)的时延，采用下式计算

$D_{d_l{s}_k}\left(t\right)=\frac{-B_{lk}\left(t\right)-\sqrt{B_{lk}^2\left(t\right)-4A_{lk}{C}_{lk}\left(t\right)}}{2A_{lk}}---\left(6\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{lk}=|v^{s_k}{|}^2-c^2\\ B_{lk}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{d_l}+v^{d_l}t)-(p_0^{s_k}+v^{s_k}t\left)\right)}^T{v}^{s_k}\\ C_{lk}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(7)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在结束阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

上述步骤3.3.2中，T_i ^ack采用以下方法计算：

步骤3.3.2.1：设置T_i ^ack的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.3.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{ack}\right)=T_{i,l}^{ack}+P_i^{ack}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{ack}+P_i^{ack})---\left(8\right)$

步骤3.3.2.3：所有中，令式(8)取值最小且满足式(5)约束条件的即为T_i ^ack近似值。

上述包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，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，本发明具有如下优点和技术效果：

1、信道利用率高，多节点通信时平均时延短。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的并行通信，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，也显著地减少了通信的平均等待时间。

2、适应多种应用场景。本发明提供的水声网络多节点并行通信方法，可以应用于包含或不包含运动节点的水声通信网络，与中国发明专利CN201410714302相比适用的应用场景更多。

3、对网络节点数量的动态变化具有很好的适应性，突发数据传输效率高。在现有的水声网络通信协议中，节点间的并行通信基本都需要采用固定分配信道的方式来完成，网络节点的增加超出预期时信道的分配不够灵活，不利于运动节点的管理，并且对突发数据的传输效率不高，容易造成通信资源的浪费。本发明提供的水声网络多节点并行通信方法是基于竞争信道的方式，因此在网络节点数量发生变化时信道的分配也较为简单，很适合用于具有运动节点的场合，并且更适应突发数据的传输。

附图说明

图1为本发明实施例的主流程图。

图2为本发明实施例一个传输周期的流程图。

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之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

本发明实施例为一个具有6个节点的水声通信网络，包含3个静止节点A、B、C和3个运动节点D、E、F，各个节点之间的通信方式为全方向、半双工，通信所用的带宽为6KHz，水下声速为1500m/s，网络中所有节点均能监听到其他节点的信号，各节点具有同步的时钟信号。当网络中有N(1≤N≤3)个节点需要发送数据时，如果采用现有的基于握手的水声网络媒体接入控制协议，则每个传输周期只有一对节点可以相互通信，那么N个节点需要N个传输周期才能完成信号传输，这样不仅信道利用率低，而且通信时延大。本发明实施例中，N个节点可以在同一个传输周期内并行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。

本发明实施例中，采用以下步骤来实现多节点的通信，其主流程如图1所示：

步骤1：布放静态节点，由静态节点组建水声通信网络，并根据静态节点布放的位置建立坐标系统，确定所有静态节点的坐标。

上述实施例中，首先布放静态节点A、B、C，并由这三个节点构成全连通结构的水声通信网络，然后根据A、B、C布放的位置建立坐标系统，确定所有静态节点的坐标。在本实施例中，以节点A和节点B的中点为原点建立坐标系统，A、B、C的坐标分别为(x^A,y^A,z^A)，(x^B,y^B,z^B)，(x^C,y^C,z^C)。

步骤2：运动节点进入水声通信网络的通信范围后，确定本节点当前相对上述坐标系统的位置及速度矢量，并在信道空闲时向其他节点广播加入网络信令，其他节点接收到该信令后，记录新增的运动节点。

以运动节点D加入静态节点A、B、C构成的网络为例，当节点D进入网络的通信范围(即与静态节点A、B、C均能双向通信的距离范围)后，通过主动或被动定位的方法确定本节点在水声网络中的位置和速度矢量，并在信道空闲时向节点A、B、C广播加入网络信令。节点A、B、C收到该信令后，在本地记录的网络节点表中记录新增的运动节点D。

步骤3：当节点有数据需要发送时，在新的传输周期参与信道的竞争，根据本节点的当前位置和速度矢量，以及本次传输周期中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，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，并在该时刻发送数据，其流程如图2所示。

上述实施例中，每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，以节点A、D、E分别向节点B、C、F发送数据为例，在新的传输周期开始后，节点A、D、E参与信道竞争，并采用以下方法进行数据的传输：

步骤3.1：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。所有RTS和CTS信令中包含该RTS或CTS信令发送的时刻，RTS中包含待发送数据的长度，若移动节点作为源节点或目的节点时，其RTS或CTS信令中还包含上述移动节点的当前位置和速度矢量。每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的源节点和相应的目的节点。

上述实施例中，节点A、D、E先侦听信道，在信道空闲时广播RTS信令，并在RTS中包含该RTS发送的时刻和待发送数据的长度，其中运动节点D、E发送的RTS信令中还包含该节点的当前位置和速度矢量。节点B、C、F同意与A、D、E通信时，广播回复CTS信令，CTS信令中包含时间标签，其中运动节点F的CTS信令中还包含F当前的位置和速度矢量。各节点每检测到一个CTS信令即从0开始计时，当计时时间大于预设的时间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，每个节点记录本次传输周期中成功握手的源节点和目的节点对A和B，D和C，E和F，上述实施例中分别以(s₁,d₁)、(s₂,d₂)、(s₃,d₃)来表示。

步骤3.2：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，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并计时，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。上述静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0。

上述实施例中，预先确定的节点发送数据的优先级为A>D>E，即s₁>s₂>s₃。在另一些实施例中，也可以采用按RTS发送时间先后顺序来确定节点的优先级。确定节点的优先级后，节点A、D、E发送数据的时刻采用以下方法计算：

步骤3.2.1：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传输阶段的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，为预设的延时。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，s₁为节点A。

步骤3.2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为传输阶段的0时刻，优先级为i的源节点s_i按式(9)顺次计算出优先级为2～i的所有源节点发送数据的时刻，并在T_i ^data时刻发送数据给相应的目的节点d_i

$\begin{array}{c}{T}_i^{data}=\underset{T_i^{data}}{\arg \min }\{T_i^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\}+C^{data}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{data}+D_{s_i{d}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\end{array}\\ \begin{array}{cc}and& T_i^{data}+D_{s_i{d}_j}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_j}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}\end{array}---\left(9\right)$

其中T_i ^data为第i个源节点发送数据的时刻，P_i ^data为第i个源节点发送数据包的持续时间，C^data为预设的保护时间，为源节点s_k(k＝1～i)在t时刻发送的数据传输到目的节点d_l(l＝1～i)的时延，采用下式计算

$D_{s_k{d}_l}\left(t\right)=\frac{-B_{kl}\left(t\right)-\sqrt{B_{kl}^2\left(t\right)-4A_{kl}{C}_{kl}\left(t\right)}}{2A_{kl}}---\left(10\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{kl}=|v^{d_l}{|}^2-c^2\\ B_{kl}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t\left)\right)}^T{v}^{d_l}\\ C_{kl}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{t_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(11\right)$

式(11)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在传输阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

上述实施例中，节点D为s₂，首先计算节点A发送数据的时刻T₁ ^data，然后根据式(9)计算本节点发送数据的时刻式中i＝2，s₁为节点A，d₁为节点B，d₂为节点C，节点A、B和C为静态节点，其初始位置为布放时的位置(x^A,y^A,z^A)、(x^B,y^B,z^B)和(x^C,y^C,z^C)，速度矢量为0。节点D为运动节点，其初始位置用下式计算：

$p_0^D=p_{RTS}^D+v^D(t_0-t_{RTS}^D)---\left(12\right)$

其中为D在传输阶段0时刻的位置，为D所发送的RTS包中记录的位置，t₀、分别为本传输周期最后一个CTS包的时间标签和D所发送RTS包的时间标签，v^D为D的速度矢量。

节点E为s₃，首先按顺序计算节点A和D发送数据的时刻T₁ ^data和然后根据式(9)计算本节点发送数据的时刻式中i＝3，s₁为节点A，d₁为节点B，s₂为节点D，d₂为节点C，d₃为节点F。节点A、B和C为静态节点，其初始位置为布放时的位置(x^A,y^A,z^A)、(x^B,y^B,z^B)和(x^C,y^C,z^C)，速度矢量为0。节点D、E和F为运动节点，D的初始位置用式(12)计算，E和F的初始位置用下式计算：

$p_0^E=p_{RTS}^E+v^E(t_0-t_{RTS}^E)---\left(13\right)$

$p_0^F=p_{CTS}^F+v^F(t_0-t_{CTS}^F)---\left(14\right)$

其中和为E和F在传输阶段0时刻的位置，和为E和F所发送的RTS和CTS包中记录的位置，t₀、分别为本传输周期最后一个CTS包的时间标签、E和F所发送RTS和CTS包的时间标签，v^E和v^F为E和F的速度矢量。

式(9)为非线性的约束优化问题，为了简化计算，上述实施例中采用以下方法对T_i ^data进行求解：

步骤3.2.2.1：设置T_i ^data的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.2.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{data}\right)=T_{i,l}^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{data}+P_i^{data})---\left(15\right)$

步骤3.2.2.3：所有中，令式(15)取值最小且满足式(9)约束条件的即为T_i ^data近似值。

步骤3.3：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和ACK或NACK信令的长度，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并计时，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。上述静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0，ACK和NACK信令具有相同的长度。当最后一个目的节点发送完ACK或NACK信令后，经过预设的时间，本传输周期结束。

上述实施例中，当所有节点检测到最后一个源节点E的数据包发送完毕后，网络进入结束阶段，目的节点按源节点的优先级顺序，即优先级B>C>F，向源节点A、D、E发送ACK或NACK信令。B、C、F发送ACK或NACK的时刻采用以下的方法计算：

步骤3.3.1：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结束阶段的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，为预设的延时。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，d₁为节点B。

步骤3.3.2：以最后一个数据包中时间标签为结束阶段的0时刻，优先级为i的目的节点d_i按式(16)顺次计算出优先级为2～i的所有目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，并在T_i ^ack时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$\begin{array}{c}{T}_i^{ack}=\underset{T_i^{ack}}{\arg \min }\{T_i^{ack}+P_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\}+C^{ack}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\\ and& T_i^{ack}+D_{d_i{s}_j}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_j}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}\end{array}---\left(16\right)$

其中T_i ^ack为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，P_i ^ack为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C^ack为预设的保护时间，为ACK或NACK信令从目的节点d_l(l＝1～i)传输到源节点s_k(k＝1～i)的时延，采用下式计算

$D_{d_l{s}_k}\left(t\right)=\frac{-B_{lk}\left(t\right)-\sqrt{B_{lk}^2\left(t\right)-4A_{lk}{C}_{lk}\left(t\right)}}{2A_{lk}}---\left(17\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{lk}=|v^{s_k}{|}^2-c^2\\ B_{lk}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{d_l}+v^{d_l}t)-(p_0^{s_k}+v^{s_k}t\left)\right)}^T{v}^{s_k}\\ C_{lk}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(18\right)$

式(18)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在结束阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

上述实施例中，节点C为d₂，首先计算节点B发送ACK或NACK信令的时刻T₁ ^ack，然后根据式(16)计算本节点发送数据的时刻式中i＝2，s₁为节点A，d₁为节点B，s₂为节点D，节点A、B和C为静态节点，其初始位置为布放时的位置(x^A,y^A,z^A)、(x^B,y^B,z^B)和(x^C,y^C,z^C)，速度矢量为0。节点D为运动节点，其初始位置用下式计算：

$p_0^D=p_{RTS}^D+v^D(t_0^{\′}-t_{RTS}^D)---\left(19\right)$

其中为D在结束阶段0时刻的位置，为D所发送的RTS包中记录的位置，t′₀、分别为本传输周期最后一个数据包的时间标签和D所发送RTS包的时间标签，v^D为D的速度矢量。

节点F为d₃，首先按顺序计算节点B和C发送ACK或NACK信令的时刻T₁ ^ack和然后根据式(16)计算本节点发送ACK或NACK信令的时刻式中i＝3，s₁为节点A，d₁为节点B，s₂为节点D，d₂为节点C，s₃为节点E。节点A、B和C为静态节点，其初始位置为布放时的位置(x^A,y^A,z^A)、(x^B,y^B,z^B)和(x^C,y^C,z^C)，速度矢量为0。节点D、E和F为运动节点，D的初始位置用式(19)计算，E和F的初始位置用下式计算：

$p_0^E=p_{RTS}^E+v^E(t_0^{\′}-t_{RTS}^E)---\left(20\right)$

$p_0^F=p_{CTS}^F+v^F(t_0^{\′}-t_{CTS}^F)---\left(21\right)$

其中和为E和F在结束阶段0时刻的位置，和为E和F所发送的RTS和CTS包中记录的位置，t′₀、分别为本传输周期最后一个数据包的时间标签、E和F所发送RTS和CTS包的时间标签，v^E和v^F为E和F的速度矢量。

式(16)为非线性的约束优化问题，为了简化计算，上述实施例中采用以下方法对T_i ^ack进行求解：

步骤3.3.2.1：设置T_i ^ack的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.3.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{ack}\right)=T_{i,l}^{ack}+R_i^{ack}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{ack}+P_i^{ack})---\left(22\right)$

步骤3.3.2.3：所有中，令式(22)取值最小且满足式(16)约束条件的即为T_i ^ack近似值。

步骤4：当运动节点需要退出网络时，在信道空闲时向其他节点广播退出网络信令，其他节点接收到该信令后，删除所记录的上述运动节点的信息。以节点D退出网络为例，节点D在信道空闲时向其他节点广播退出网络信令，其他节点接收到该信令后，将节点D从本地记录的网络节点表中删除。

在本发明的另一实施例中，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。

Claims (7)

1.包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、布放静态节点，由静态节点组建水声通信网络，并根据静态节点布放的位置建立坐标系统，确定所有静态节点的坐标；

步骤2、运动节点进入水声通信网络的通信范围后，确定本节点当前相对上述坐标系统的位置及速度矢量，并在信道空闲时向水声通信网络中的其他节点广播加入网络信令，其他节点接收到该信令后，记录新增的运动节点；

步骤3、当节点有数据需要发送时，在新的传输周期参与信道的竞争，根据本节点的当前位置和速度矢量，以及本次传输周期中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，并在该时刻发送数据；

步骤4、当运动节点需要退出网络时，在信道空闲时向其他节点广播退出网络信令，其他节点接收到该信令后，删除所记录的上述运动节点的信息。

2.根据权利要求1所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于步骤3中，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3.1：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；所有RTS和CTS信令中包含该RTS或CTS信令发送的时刻，RTS中包含待发送数据的长度，若移动节点作为源节点或目的节点时，其RTS或CTS信令中还包含上述移动节点的当前位置和速度矢量；每个节点侦听并记录本次传输周期中所有成功握手的源节点和相应的目的节点；

步骤3.2：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和待发送数据的长度，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并计时，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；其中静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0；

步骤3.3：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，根据本节点的位置和速度矢量，以及本次传输周期网络中比本节点优先级更高的源节点和目的节点的位置、速度矢量和ACK或NACK信令的长度，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并计时，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；其中静态节点的位置为网络部署时该节点的位置，其速度矢量为0，ACK和NACK信令具有相同的长度；当最后一个目的节点发送完ACK或NACK信令后，经过预设的时间，本传输周期结束。

3.根据权利要求2所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于步骤3.2中，每个节点发送数据的时刻采用以下过程计算：

步骤3.2.1：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传输阶段的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，为预设的延时；所述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻；

步骤3.2.2：以最后一个CTS信令中时间标签为传输阶段的0时刻，优先级为i的源节点s_i按式(1)顺次计算出优先级为2～i的所有源节点发送数据的时刻，并在T_i ^data时刻发送数据给相应的目的节点d_i

$\begin{array}{c}{T}_i^{data}=\underset{T_i^{data}}{\arg \min }\{T_i^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\}+C^{data}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{data}+D_{s_i{d}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_i}(T_i^{data}+P_i^{data})\end{array}\\ and{T}_i^{data}+D_{s_i{d}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{data}+P_j^{data}+D_{s_j{d}_i}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}---\left(1\right)$

其中T_i ^data为第i个源节点发送数据的时刻，P_i ^data为第i个源节点发送数据包的持续时间，C^data为预设的保护时间，为源节点s_k在t时刻发送的数据传输到目的节点d_l的时延，其中k＝1～i，l＝1～i，采用下式计算

$D_{s_k{d}_l}\left(t\right)=\frac{-B_{kl}\left(t\right)-\sqrt{B_{kl}^2\left(t\right)-4A_{kl}{C}_{kl}\left(t\right)}}{2A_{kl}}---\left(2\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{kl}=|v^{d_l}{|}^2-c^2\\ B_{kl}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{s_k}-v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t\left)\right)}^T{v}^{d_l}\\ C_{kl}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在传输阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

4.根据权利要求3所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于上述步骤3.2.2中，T_i ^data采用以下步骤计算：

步骤3.2.2.1：设置T_i ^data的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.2.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{data}\right)=T_{i,l}^{data}+P_i^{data}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{data}+P_i^{data})---\left(4\right)$

步骤3.2.2.3：所有中，令式(4)取值最小且满足式(1)约束条件的即为T_i ^data近似值。

5.根据权利要求2所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于步骤3.3中，每个节点开始接收ACK或NACK的时刻和结束接受ACK或NACK的时刻采用以下的步骤计算：

步骤3.3.1：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结束阶段的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，为预设的延时。上述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻；

步骤3.3.2：以最后一个数据包中时间标签为结束阶段的0时刻，优先级为i的目的节点d_i按式(5)顺次计算出优先级为2～i的所有目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，并在T_i ^ack时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点s_i：

$\begin{array}{c}{T}_i^{ack}=\underset{T_i^{ack}}{\arg \min }\{T_i^{ack}+P_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\}+C^{ack}\\ \begin{array}{cc}s.t.& T_i^{ack}+D_{d_i{s}_i}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_i}(T_i^{ack}+P_i^{ack})\end{array}\\ and{T}_i^{ack}+D_{d_i{s}_j}\left(T_i^{data}\right)\≥T_j^{ack}+P_j^{ack}+D_{d_j{s}_i}(T_j^{data}+P_j^{data}),j=1~i-1\end{array}---\left(5\right)$

其中T_i ^ack为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，P_i ^ack为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C^ack为预设的保护时间，为ACK或NACK信令从目的节点d_l传输到源节点s_k的时延，l＝1～i，k＝1～i，采用下式计算

$D_{d_l{s}_k}\left(t\right)=\frac{-B_{lk}\left(t\right)-\sqrt{B_{lk}^2\left(t\right)-4A_{lk}{C}_{lk}\left(t\right)}}{2A_{lk}}---\left(6\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{lk}=|v^{s_k}{|}^2-c^2\\ B_{lk}\left(t\right)=-2{\left(\right(p_0^{d_i}+v^{d_l}t)-(p_0^{s_k}+v^{s_k}t\left)\right)}^T{v}^{s_k}\\ C_{lk}\left(t\right)=|(p_0^{s_k}+v^{s_k}t)-(p_0^{d_l}+v^{d_l}t){|}^2\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(7)中和分别为源节点s_k和目的节点d_l在结束阶段0时刻的位置，和分别为源节点s_k和目的节点d_l的速度矢量，c为声波在水中的传播速度。

6.根据权利要求5所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，其特征在于步骤3.3.2中，T_i ^ack采用以下方法计算：

步骤3.3.2.1：设置T_i ^ack的搜索范围和搜索步长其中N为搜索的点数；

步骤3.3.2.2：令代入下式并计算

$J\left(T_{i,l}^{ack}\right)=T_{i,l}^{ack}+P_i^{ack}+D_{s_i{d}_i}(T_{i,l}^{ack}+P_i^{ack})---\left(8\right)$

步骤3.3.2.3：所有中，令式(8)取值最小且满足式(5)约束条件的即为T_i ^ack近似值。

7.根据权利要求2所述的包含运动节点的竞争信道水声网络多节点并行通信方法，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。