CN106535286B - 一种基于tdma的海面无线通信组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于TDMA的海面无线通信组网方法。现有无线通信网络组网方式对海洋观测具有不适用性。本发明方法首先根据通信从站个数建立海面无线通信网络模型；而后根据各个从站传输的数据量大小，分配不同的数据传输时长，从而建立一个完整的时隙分配方案；最后通信主站根据时隙分配方案、各类数据包功能及格式，与各个从站进行数据收发。本发明方法适用于海面无线通信，很好的满足了海洋观测中传感节点供能有限的特点，并且在一定程度上提高了网络传输吞吐率及网络鲁棒性。

Description

一种基于TDMA的海面无线通信组网方法
技术领域
本发明涉及通信技术中媒体接入控制协议领域，具体涉及一种基于TDMA的海面无线通信组网方法。
背景技术
近年来，我国对海洋的探测与开发越发重视，但目前采取的大多数是潜标方式，即将传感器放入海洋当中采集数据，一段时间后将传感器捞起再读取存储的数据，但这种方式并不能实现数据的实时分析，而为了实现这一目标，则需要海面无线通信作为基础。
由于用于海底参数采集的传感器大多采用电池供电，供电时长有限，因此在设计海面无线通信组网方式时，应尽可能降低传感节点的功耗，而传统的基于竞争的媒体接入协议将使节点产生大量的功耗用于传输信道竞争，因此并不适合海面无线通信。基于时分多址(time division multiple access,TDMA)的媒体接入控制协议事先给各个节点分配好传输时隙，能在一定程度上降低节点功耗。而由于海底参数采集需要有多个传感节点一起工作，每个传感节点因为采集的参数不同或者采集的时长不同，每次需要实时传输的数据量存在一定差异，因此给每个节点分配相同的传输时长并不合适，会降低网络传输吞吐量。因此根据海洋观测采集数据传感器的特点，研发合适的海面无线通信组网方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有无线通信网络组网方式对海洋观测的不适用性，提出一种基于TDMA的海面无线通信组网方法。
本发明采用TDMA媒体接入控制方法，根据各个从站传输的数据量分配不同的时隙长度，并在实际数据传输当中，根据各个从站传输信道的实时传输质量，决定主站是否在该周期与对应从站进行数据收发，从而提高网络鲁棒性以及降低传输从站的功耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
步骤(1)建立海面无线通信网络模型：将n个海面通信从站与1个通信主站通过无线方式连接，搭建一个集中式网络，n＞1；
步骤(2)建立完整的时隙分配方案：
将一个传输周期分为三个部分，分别为网络发现阶段、数据传输阶段、控制命令下达阶段；各个阶段的功能分别是：
网络发现阶段：根据各个从站握手请求包的字节数，以及传输信道的平均传输速率，给各个从站分配握手时长，用于从站加入网络；
数据传输阶段：根据各个从站一次传输的数据量的字节数，以及传输信道的平均传输速率，给各个从站分配对应的数据传输时长，用于从站与主站之间数据收发；
控制命令下达阶段：根据各个从站控制包的字节数，以及传输信道的平均传输速率，为需要接收控制命令的从站分配对应的控制命令传输时长，用于主站向对应从站发送控制命令；
步骤(3)主站根据时隙分配方案与各个从站进行数据收发。
与其它无线通信组网方法相比，本发明的优点体现在：
1、现有的无线通信组网方法大多不适用于海洋观测数据采集，基于竞争的媒体接入控制方法缺乏公平性，不能保证各个从站传输机会相同，同时基于竞争的媒体接入控制方法将会大大的增加通信从站的功耗，而由于海洋观测数据采集传感节点采用电池供电，因此并不适用；而本发明采用TDMA方式，事先分配好各从站传输时隙，能较好的降低传感节点功耗。
2、传统的基于TDMA的传输方式为给每个传输节点分配相同的传输时长，而由于在海洋观测数据采集当中，每个传感节点传输的数据量不同，相同的传输时长分配将会浪费大量的传输时间，并可能在一定程度上造成各传感节点之间的传输干扰；而本发明采用按需TDMA方式，根据每个传感节点传输的数据量多少，为每个节点分配不同的传输时长，能有效的提高网络传输吞吐量以及网络的鲁棒性能。
3、传统的基于TDMA的无线通信网络组网方式当中，大多不涉及信道质量的评估，因此会在一定程度上浪费传输时间在无法通信的传感节点上；本发明根据当前时段数据包是否传输成功来判断各传感节点传输信道的质量，从而决定在下一时段是否轮询该从站，进行数据收发，能更有效的利用网络资源。
附图说明
图1为海面无线通信网络模型。
图2为海面无线通信网络完整时隙分配图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明。
一种基于TDMA的海面无线通信组网方法，采用按需TDMA方式，并且根据各信道实时传输质量决定是否与对应从站进行数据收发，提高网络吞吐率及网络资源利用率。具体通过以下步骤实现：
步骤(1)建立海面无线通信网络模型：将n个海面通信从站与1个通信主站通过无线方式连接，搭建一个集中式网络，n＞1；如图1所示。
步骤(2)建立完整的时隙分配方案，如图2所示。：
将一个传输周期分为三个部分，分别为网络发现阶段、数据传输阶段、控制命令下达阶段；各个阶段的功能分别是：
网络发现阶段：根据各个从站握手请求包的字节数lranging，以及传输信道的平均传输速率v，给各个从站分配握手时长Tranging，用于从站加入网络；
Tranging＝k×lranging/v；
其中k为约束因子，k＞1。
数据传输阶段：根据从站i一次传输的数据量的字节数li，以及传输信道的平均传输速率v，给从站i分配对应的数据传输时长Ttrans,i，用于从站与主站之间数据收发；
Ttrans,i＝k×li/v。
控制命令下达阶段：根据从站i控制包的字节数lcommand,i，以及传输信道的平均传输速率v，为需要接收控制命令的从站i分配对应的控制命令传输时长Tcommand,i，用于主站向对应从站发送控制命令；
Tcommand,i＝k×lcommand,i/v。
步骤(3)主站根据时隙分配方案与各个从站进行数据收发，具体流程如下：
(3-1)每间隔m个周期进行一次网络发现，m≥2；在网络发现阶段，主站依次向每个从站发送握手请求包N次，被握手从站需在时间Tn内发送握手响应包；
如果被握手的从站发送的握手响应包数目Np≥N/2，则允许该从站入网，从站标号加入从站轮询列表，否则认为当前的握手从站状态不佳，不允许接入网络，给该从站分配对应的数据传输时隙也将收回；
在其他周期，握手时隙被用作保护间隔，在这些周期的握手时隙内，主站与从站不进行数据包的收发；
(3-2)主站按照从站轮询列表和时隙分配方案，依次在各个从站的传输时隙轮询每个从站，主站向从站发送数据请求包，并等待从站的数据响应包，若数据响应包接收正确，则将收到的数据包写入本地缓存，否则发送重传请求，若多次重传都未成功，或者在分配给该从站的传输时隙内都没有收到正确的数据响应包，则将该从站从从站轮询列表中删除，将分配给该从站的传输时隙收回，即在下一次网络发现前不再轮询该从站；回收的时隙安排在数据传输阶段末尾，在回收的时隙中，主站与从站之间不进行数据包的收发；
(3-3)主站按照从站轮询列表和时隙分配方案，依次在各个从站的控制命令传输时隙，向有控制命令需要下达的从站发送控制命令数据包，并等待从站的控制命令响应包；若响应正常，结束该周期传输，否则重传，主站在分配时隙内多次发送控制命令数据包，均未收到正确的控制命令响应包，结束当前周期的控制命令下达，并在下一个周期再次下达控制命令。

Claims (4)

1.一种基于TDMA的海面无线通信组网方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)建立海面无线通信网络模型：将n个海面通信从站与1个通信主站通过无线方式连接，搭建一个集中式网络，n＞1；
步骤(2)建立完整的时隙分配方案：
将一个传输周期分为三个部分，分别为网络发现阶段、数据传输阶段、控制命令下达阶段；各个阶段的功能分别是：
网络发现阶段：根据各个从站握手请求包的字节数，以及传输信道的平均传输速率，给各个从站分配握手时长，用于从站加入网络；
数据传输阶段：根据各个从站一次传输的数据量的字节数，以及传输信道的平均传输速率，给各个从站分配对应的数据传输时长，用于从站与主站之间数据收发；
控制命令下达阶段：根据各个从站控制包的字节数，以及传输信道的平均传输速率，为需要接收控制命令的从站分配对应的控制命令传输时长，用于主站向对应从站发送控制命令；
步骤(3)主站根据时隙分配方案与各个从站进行数据收发，具体流程如下：
(3-1)每间隔m个周期进行一次网络发现，m≥2；在网络发现阶段，主站依次向每个从站发送握手请求包N次，被握手从站需在时间Tn内发送握手响应包；
如果被握手的从站发送的握手响应包数目Np≥N/2，则允许该从站入网，从站标号加入从站轮询列表，否则认为当前的握手从站状态不佳，不允许接入网络，收回给该从站分配对应的数据传输时隙；
在其他周期，握手时隙被用作保护间隔，在这些周期的握手时隙内，主站与从站不进行数据包的收发；
(3-2)主站按照从站轮询列表和时隙分配方案，依次在各个从站的传输时隙轮询每个从站，主站向从站发送数据请求包，并等待从站的数据响应包，若数据响应包接收正确，则将收到的数据包写入本地缓存，否则发送重传请求，若多次重传都未成功，或者在分配给该从站的传输时隙内都没有收到正确的数据响应包，则将该从站从从站轮询列表中删除，将分配给该从站的传输时隙收回，即在下一次网络发现前不再轮询该从站；回收的时隙安排在数据传输阶段末尾，在回收的时隙中，主站与从站之间不进行数据包的收发；
(3-3)主站按照从站轮询列表和时隙分配方案，依次在各个从站的控制命令传输时隙，向有控制命令需要下达的从站发送控制命令数据包，并等待从站的控制命令响应包；若响应正常，结束该周期传输，否则重传，主站在分配时隙内多次发送控制命令数据包，均未收到正确的控制命令响应包，结束当前周期的控制命令下达，并在下一个周期再次下达控制命令。
2.如权利要求1所述的一种基于TDMA的海面无线通信组网方法，其特征在于所述的网络发现阶段给各个从站分配握手时长Tranging的具体方法是：
Tranging＝k×lranging/v；
其中lranging为每个从站握手请求包的字节数，v为传输信道的平均传输速率，k为约束因子，k＞1。
3.如权利要求1所述的一种基于TDMA的海面无线通信组网方法，其特征在于所述的数据传输阶段给从站i分配对应的数据传输时长Ttrans,i的具体方法是：
Ttrans,i＝k×li/v；
其中li为从站i一次传输的数据量的字节数，v为传输信道的平均传输速率，k为约束因子，k＞1。
4.如权利要求1所述的一种基于TDMA的海面无线通信组网方法，其特征在于所述的控制命令下达阶段为从站i分配对应的控制命令传输时长Tcommand,i的具体方法是：
Tcommand,i＝k×lcommand,i/v；
其中lcommand,i为从站i控制包的字节数，v为传输信道的平均传输速率，k为约束因子，k＞1。
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A Hybrid MAC Protocol with Channel-dependent Optimized Scheduling for Clustered Underwater Acoustic Sensor Networks;Jithin Jagannath 等;《Proceedings Of ACM WUWNet’13》;20131113;参见正文第3、4章节，附图2

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