CN106899981B - 一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法包括：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；每个源节点采用相同的非随机算法，计算所有源节点以能成功发送数据至相应的目的节点所需的最小发射功率发送数据时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中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，以所述最小发射功率向相应目的节点发送数据；当所有源节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段。本发明在数据传输阶段将全连通网络转化为多个互不连通的子网，能有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，降低能耗。

Description

一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法。

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，随着海洋的探索和资源开发利用等活动的增加，对高性能水声通信网络的需求将越来越大。但水声信道频带窄、延时长、能量有限等特点使得水声网络的通信性能受到很大的限制，绝大部分在陆上表现良好的网络通信协议不能直接应用于水下，需要针对水下环境的特点对现有协议进行修改或重新设计。其中，媒体控制接入(MAC)协议的合理设计是提高水声网络性能的重要途径之一。

基于握手的竞争MAC协议是水声网络中常用的技术，CSMA、MACA和FAMA等常用的水声网络MAC协议均采用了握手机制。通过握手，水声网络中的节点可以减少冲突的发送，发现节点终端隐藏，以及获得节点功率控制所需要的信息，从而更好的利用节点进行数据传输。但在现有的基于握手的水声网络MAC协议中，受带宽的限制，每个传输周期通常只有一对节点可以相互通信，这种串行的节点交互方式在长时延的水声环境下存在以下不足：(1)等待信息到达的空闲时间在传输过程中占的比例较大且无法利用。在水下，源节点发送的信息到达目的节点需要较长的时间，在每个传输周期只有一对节点可以通信的情况下，等待信息到达的空闲时间无法利用，其在传输过程中占的比例越大，频谱资源的浪费越多。(2)多对节点的通信需要多个传输周期，多次的握手使得传输效率不高。由于声波在水中的传播速度低，握手过程往往需要较长的时间才能完成，多次的握手会显著降低有用信息的传输效率。

为了解决上述问题，中国发明专利CN201410714302.5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。中国发明专利CN201610697973.4中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，使得包含运动节点的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并减少通信的平均时延。中国发明专利CN201611159045.9中提供了一种节点发送顺序优化的竞争信道水声网络并行通信方法，该方法通过优化一个传输周期中多个节点的发送顺序及发送时间，能在实现节点数据无冲突并行传输的前提下，有效地减少一个传输周期所需的时间，从而提高信道利用效率。

上述方法均能有效提高现有基于握手的水下竞争MAC协议的性能，但仍存在以下不足：(1)这些方法在整个传输周期中都将网络当成全连通网络来处理，未能利用一些节点发送信号相互影响较小的特点，节点发送的时间安排不够紧凑，不能充分发掘节点通信时的并行性。(2)这些方法为了保持网络的全连通，在整个传输周期中一直使用较高的固定功率进行发送，不能根据通信节点间的距离来调整节点的发送功率，能耗较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法通过控制节点的发送功率，在数据传输阶段将全连通网络转化为多个互不连通的子网，每个子网独立规划节点发送时间，子网间同时传输，子网内并发传输，能有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，降低能耗，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。

本发明提供的节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，具体包含以下步骤：

步骤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。需要发起通信的源节点广播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。上述源节点或目的节点在发送RTS或CTS信令时，其发射功率大于或等于该节点能成功发送数据至网络中距离该节点最远的节点所需的最小发射功率。

步骤2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个源节点采用相同的非随机算法，计算所有源节点以能成功发送数据至相应的目的节点所需的最小发射功率发送数据时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中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，以上述最小发射功率向相应目的节点发送数据。

步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算所有目的节点以能成功发送ACK或NACK信令至相应的源节点所需的最小发射功率发送信令时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，以上述最小发射功率向相应的源节点发送ACK或NACK信令。

上述步骤2中，1、一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法中每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，其特征在于具体包含以下步骤：

步骤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；需要发起通信的源节点广播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；上述源节点或目的节点在发送RTS或CTS信令时，发射功率大于或等于该节点能成功发送数据至网络中距离该节点最远的节点所需的最小发射功率；

步骤2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个源节点采用相同的非随机算法，计算所有源节点以能成功发送数据至相应的目的节点所需的最小发射功率发送数据时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中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，以所述最小发射功率向相应目的节点发送数据；

步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算所有目的节点以能成功发送ACK或NACK信令至相应的源节点所需的最小发射功率发送信令时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中能无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，以所述最小发射功率向相应的源节点发送ACK或NACK信令。

进一步地，所述步骤2中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1a：对于每个源节点s_i，i＝1～M，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的目的节点集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤2.2a：令Ω_i＝{s_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤2.3a：选择任意Ω_j∈S，且使S减去Ω_j，即S不包含Ω_j；

步骤2.4a：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k；重复步骤2.4a的上述合并过程直至对任意

均有

令

(i指的是节点的下标即1、2、3....M，在该步骤中不发生变化，刚开始S的下标包含所有节点下标，即1、2、3....M，j指的在S中选择任意一个下标的节点，那么S中的下标将不包括j，即1、2、3....j-1、j+1....M,然后再在不包含j的S中任意选择一个下标为k的节点，接着用下标为k的节点对应的集合和下标为j的节点对应的集合做交集

看是否有相同的节点，有就更新S，即使得新S＝S-Ω_k，该表述单独看在等式两边好像不成立，但是在根据上下文和实际程序执行时是正确的，遍历完S中所有的下标，接着执行步骤2.5a。)

步骤2.5a：若S≠φ，使r增加1，转步骤2.3a，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

进一步地，步骤2中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1b：计算每个源节点s_i，i＝1～M，以功率

发送数据时，能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤2.2b：令Ω_i＝{d_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤2.3b：选择任意Ω_j∈S，且使S减去Ω_j，即S不包含Ω_j；

步骤2.4b：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k；重复步骤2.4b的上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤2.5b：若S≠φ，使r增加1，转步骤2.3b，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

进一步地，所述步骤2中，采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻：

以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，则在子网Γ_l中第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻采用下式计算：

(此处的j、k仅适用于本式子，指的是源节点集合和目的节点集合中所包含的节点下标，比如

那么j的下标可以是1或4，但j<i,其中i＝4，所以j只能为1，k也是一样。此处j、k与步骤2.4a和2.4b没有关系)

其中T_i ^data为第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为数据从s_i传输到d_j的时延，

为s_i发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间，

为s_i所能影响到的目的节点的集合，

为能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合。

进一步地，所述步骤3中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1a：对于每个目的节点d_i，i＝1～M，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的源节点集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的目的节点数目；

步骤3.2a：令Ω′_i＝{d_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤3.3a：选择任意Ω′_j∈S′，且使S′减去Ω′_j，即S′不包含Ω′_j；

步骤3.4a对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k；重复上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤3.5a：若S′≠φ，使r增加1，转步骤3.3a，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

进一步地，所述步骤3中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1b：计算每个目的节点d_i，i＝1～M，以功率

发送数据时，能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤3.2b：令Ω′_i＝{s_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤3.3b：选择任意Ω′_j∈S′，且使S′减去Ω′_j，即S′不包含Ω′_j；

步骤3.4b：对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k；重复上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤3.5b：若S′≠φ，使r增加1，转步骤3.3b，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

上述步骤3中，采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻：

以网络中最后一个数据包的发送时刻为0时刻，则在子网Γ′_l中第i个发送ACK/NACK信令的目的节点d_i发送ACK/NACK信令的时刻采用下式计算：

(此处的j、k仅适用于本式子，指的是源节点集合和目的节点集合中所包含的节点下标，处j、k与步骤3.4a和3.4b没有关系)

其中T_i ^ack为第i个发送ACK或NACK信令的目的节点d_i发送信令的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为ACK/NACK信令从d_i传输到s_j的时延，

为d_i发送ACK或NACK信令的持续时间，C为预设的保护时间，

为d_i所能影响到的源节点的集合，

为能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合。

进一步地，所述步骤1中，采用以下方法计算源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i和目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率：

步骤1.1：所有节点在信道空闲时检测环境噪声的功率水平；

步骤1.2：进入握手阶段后，源节点s_i以预先约定的发送功率

广播RTS信令，

大于或等于s_i能成功发送数据至网络中距离s_i最远的节点所需的最小发射功率。上述RTS信令中包含源节点s_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.3：目的节点d_i接收到源节点s_i发送的RTS信令后，根据预设的源节点s_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率

其中

为信号从目的节点d_i传播到源节点s_i的功率衰减系数；

步骤1.4：目的节点d_i以预先约定的发送功率

广播CTS信令，

大于或等于d_i能成功发送ACK/NACK信令至网络中距离d_i最远的节点所需的最小发射功率；所述CTS信令中包含目的节点d_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.5：源节点s_i接收到目的节点d_i发送的CTS信令后，根据预设的目的节点d_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算源节点s_i能成功发送ACK/NACK信令至相应目的节点d_i所需的最小发射功率

其中

为信号从源节点s_i传播到目的节点d_i的功率衰减系数。

进一步地，步骤2.1a中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_i以功率

发送数据时所能影响到的目的节点集合

步骤2.1a.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平；

步骤2.1a.2：计算源节点s_i的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_j，计算s_i以功率

发送数据时信号到达d_j处的功率

步骤2.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的节点d_j的环境噪声功率水平，则

否则

上述步骤2.1b中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_j(j＝1～M)以功率

发送数据时，影响到目的节点d_i的源节点集合

步骤2.1b.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平。

步骤2.1b.2：计算所有源节点s_j，j＝1～M，的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_i，计算每个源节点s_j以功率

发送数据时信号到达d_i处的功率

步骤2.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的点d_i的环境噪声功率水平，则

否则

进一步地，步骤3.1a中，每个目的节点采用以下方法确定目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时所能影响到的源节点集合

步骤3.1a.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平；

步骤3.1a.2：计算目的节点d_i的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_j，计算目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_j处的功率

步骤3.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_j的环境噪声功率水平，则

否则

上述步骤3.1b中，每个目的节点采用以下方法确定当目的节点d_j，j＝1～M，以功率

发送ACK/NACK时，影响到源节点s_i的目的节点集合

步骤3.1b.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平；

步骤3.1b.2：计算所有目的节点d_j(j＝1～M)的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_i，计算目的节点d_j以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_i处的功率

步骤3.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_i的环境噪声功率水平，则

否则

与现有技术相比，本发明的有益之处有：

(1)传输效率更高。现有方法在整个传输周期中都将网络当成全连通网络来处理，未能充分发掘节点通信时的并行性。本发明通过控制节点的发送功率，在数据传输阶段将全连通网络转化为多个互不连通的子网，每个子网独立规划节点发送时间，子网间同时传输，子网内并发传输，可以有效地减少一个传输周期所需的时间，提高传输的效率。

(2)能耗更低。现有方法为了保证在整个传输周期中网络为全连通，在整个传输周期中需要使用较大的功率进行发送，本发明中节点只需在握手阶段使用较大功率发送以保证所有源节点和目的节点能接收到握手信息，在数据传输和发送ACK/NACK信令时均可使用较低的功率进行发送，可以显著降低节点的能耗。

附图说明

图1为本发明实施例1的主流程图。

图2为本发明实施例1中计算源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i和目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率的流程图。

图3为本发明实施例1的步骤2中每个源节点s_i以功率

发送数据时，所能影响到的目的节点集合

的示意图。

图4为本发明实施例1的步骤2中整个网络划分为互不连通子网的示意图。

图5为本发明实施例1的步骤3中每个目的节点d_i以功率

发送数据时，所能影响到的源节点集合

的示意图。

图6为本发明实施例1的步骤3中整个网络划分为互不连通子网的示意图。

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，但本发明的实施方法不限于此。

本发明实施例1为一个具有12个节点的水声通信网络，以节点的水平位置和深度为X、Y、Z轴建立坐标系，三个坐标轴均以米为单位，1～12号节点的坐标分别为(600，500，250)、(1050，600，550)、(1300，350，600)、(850，400，250)、(650，700，400)、(400，300，350)、(900，550，350)、(1250，600，450)、(1200，400，650)、(700，450，300)、(850，800，250)、(550，375，300)。每个节点预设一个约定的发射功率，该发射功率大于或等于该节点能成功发送数据至网络中距离该节点最远的节点所需的最小发射功率，即每个节点以上述功率发送信息时网络是全连通的，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，水下声速为1500m/s。

本发明实施例1中，采用以下步骤来实现节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其主流程如图1所示：

步骤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。需要发起通信的源节点广播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。上述源节点或目的节点在发送RTS或CTS信令时，其发射功率大于或等于该节点能成功发送数据至网络中距离该节点最远的节点所需的最小发射功率。

本发明实施例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。以1～6号节点分别需要向7～12号节点发送信息为例，将1～6号节点分别记为源节点s₁～s₆，7～12号节点分别记为目的节点d₁～d₆。源节点s₁～s₆以预先约定的功率

广播RTS信令，

大于或等于s_i能成功发送数据至网络中距离s_i最远的节点所需的最小发射功率。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。目的节点d₁～d₆同意与源节点s₁～s₆通信时，以预先约定的发射功率

广播CTS信令，

大于或等于d_i能成功发送ACK/NACK信令至网络中距离d_i最远的节点所需的最小发射功率。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。

上述步骤1中，在握手阶段采用以下方法计算源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i和目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，其步骤如图2所示：

步骤1.1：所有节点在信道空闲时检测环境噪声的功率水平。

步骤1.2：进入握手阶段后，源节点s_i以预先约定的发送功率

广播RTS信令，

大于或等于s_i能成功发送数据至网络中距离s_i最远的节点所需的最小发射功率。上述RTS信令中包含源节点s_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.3：目的节点d_i接收到源节点s_i发送的RTS信令后，根据预设的源节点s_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率

其中

为信号从目的节点d_i传播到源节点s_i的功率衰减系数。

上述实施例1中，

a＝10^b(f)/10，其中

是d_i到s_i的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤1.4：目的节点d_i以预先约定的发送功率

广播CTS信令，

大于或等于d_i能成功发送ACK/NACK信令至网络中距离d_i最远的节点所需的最小发射功率。上述CTS信令中包含目的节点d_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.5：源节点s_i接收到目的节点d_i发送的CTS信令后，根据预设的目的节点d_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算源节点s_i能成功发送ACK/NACK信令至相应目的节点d_i所需的最小发射功率

其中

为信号从源节点s_i传播到目的节点d_i的功率衰减系数。

上述实施例1中，

a＝10^b(f)/10，其中

是s_i到d_i的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个源节点采用相同的非随机算法，计算所有源节点以能成功发送数据至相应的目的节点所需的最小发射功率发送数据时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中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，以上述最小发射功率向相应目的节点发送数据。

上述步骤2中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1a：对于每个源节点s_i(i＝1～M)，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的目的节点集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目。

上述步骤2.1a中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_i(i＝1～M)以功率

发送数据时所能影响到的目的节点集合

步骤2.1a.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平。

步骤2.1a.2：计算源节点s_i的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_j，计算s_i以功率

发送数据时信号到达d_j处的功率

上述实施例1中，

a＝10^b(f)/10，其中

是s_i到d_j的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤2.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的节点d_j的环境噪声功率水平，则

否则

上述实施例1中，根据节点间的距离，源节点s₁～s₆影响到的目的节点集合为

如图3所示。

步骤2.2a：令Ω_i＝{s_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1。

上述实施例1中，Ω₁＝{s₁}，Ω₂＝{s₂}，Ω₃＝{s₃}，Ω₄＝{s₄}，Ω₅＝{s₅}，Ω₆＝{s₆}，

S＝{Ω₁,Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}。

步骤2.3a：选择任意Ω_j∈S，S＝S-Ω_j。

上述实施例1中，从S＝{Ω₁,Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}中任选一个Ω_j，然后将Ω_j去掉，并更新S，以选择Ω₁为例，则更新后的S＝{Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}。

步骤2.4a：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k。重复上述合并过程直至对任意

均有

令

上述实施例1中，从S中选择Ω_k，将

和

做交集，判断是否有相同的目的节点，没有则跳过，有则将Ω_k和

分别并入Ω_j和

并从S中去掉Ω_k，重复上述过程直到S中所有的

与

相交都为空集时为止，然后将Ω_j和

做并集记录于Γ_r中。以Ω_j＝Ω₁，S＝{Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}为例，对于Ω_k＝{Ω_i|i＝2～6}，当i＝2时，

与

有共同目的节点d₁，更新Ω₁＝{s₁,s₂}、

S＝{Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}；当i＝3时，

与

没有共同目的节点，所以跳过；当i＝4时，

与

有共同目的节点d₁和d₄，所以更新Ω₁＝{s₁,s₂,s₄}，

S＝{Ω₃,Ω₅,Ω₆}；当i＝5时，

与

没有共同目的节点，所以跳过；在i＝6时，

与

有共同目的节点d₆，更新Ω₁＝{s₁,s₂,s₄,s₆}，

S＝{Ω₃,Ω₅}。此时

与

和

的交集都是空集，所以第1个网络分割结束，

步骤2.5a：若S≠φ，r＝r+1，转步骤2.3a，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

上述实施例1中，最终子网的划分结果为Γ₁＝{s₁,s₂,s₄,s₆,d₁,d₂,d₄,d₆}，Γ₂＝{s₃,d₃}，Γ₃＝{s₅,d₅}，如图4所示。

上述步骤2中，采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻：

以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，则在子网Γ_l中第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻采用下式计算：

其中T_i ^data为第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为数据从s_i传输到d_j的时延，

为s_i发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间，

为s_i所能影响到的目的节点的集合，

为能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合。

上述实施例1中，以最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，预设的保护时间C为1S，常数D为2S，数据包的长度

为1S，以包含源节点(s₁,s₂,s₄,s₆)的网络为例，在该网络中源节点s₁发送数据时刻为：

T₁ ^data＝D＝2.0

源节点s₂发送数据时刻为：

其中，根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

源节点s₄发送数据时刻为：

其中，

根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

源节点s₆发送数据时刻为：

其中，根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算所有目的节点以能成功发送ACK或NACK信令至相应的源节点所需的最小发射功率发送信令时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，向相应的源节点发送ACK或NACK信令。

上述步骤3中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1a：对于每个目的节点d_i(i＝1～M)，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的源节点集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的目的节点数目。

上述步骤3.1a中，每个目的节点采用以下方法确定目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时所能影响到的源节点集合

步骤3.1a.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平。

步骤3.1a.2：计算目的节点d_i的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_j，计算目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_j处的功率

上述实施例1中，

a＝10^b(f)/10，其中

是d_i到s_j的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤3.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_j的环境噪声功率水平，则

否则

上述实施例1中，所以根据节点间的距离，目的节点d₁～d₆影响到的源节点集合为

如图5所示。

步骤3.2a：令Ω′_i＝{d_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1。

上述实施例1中，Ω'₁＝{d₁}，Ω'₂＝{d₂}，Ω'₃＝{d₃}，Ω'₄＝{d₄}，Ω'₅＝{d₅}，Ω'₆＝{d₆}，

S′＝{Ω′₁,Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}。

步骤3.3a：选择任意Ω′_j∈S′，S′＝S′-Ω′_j。

上述实施例1中，从S′＝{Ω′₁,Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}中任选一个Ω′_j，然后将Ω′_j去掉，并更新S′，以选择Ω′₁为例，则更新后的S′＝{Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}。

步骤3.4a：对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k。重复上述合并过程直至对任意

均有

令

上述实施例1中，从S′中选择Ω′_k，将

和

做交集，判断是否有相同的源节点，没有则跳过，有则将Ω′_k和

分别并入Ω′_j和

并从S′中去掉Ω′_k，重复上述过程直到S′中所有的

与

相交都为空集时为止，然后将Ω′_j和

做并集记录于Γ′_r中。以Ω′_j＝Ω′₁，S′＝{Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}为例，Ω′_k＝{Ω′_i|i＝2～6}，当i＝2时，

与

有共同源节点s₂，更新Ω′₁＝{d₁,d₂}、

S′＝{Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}，当i＝3，

与

没有共同源节点，所以跳过，当i＝4时，

与

有共同源节点s₁和s₄，所以更新Ω′₁＝{d₁,d₂,d₄}，

S′＝{Ω′₃,Ω′₅,Ω′₆}；当i＝5时，

与

有共同源节点s₅，所以更新Ω′₁＝{d₁,d₂,d₄,d₅}，

S′＝{Ω′₃,Ω′₆}；当i＝6时，

与

有共同源节点s₆，所以更新Ω′₁＝{d₁,d₂,d₄,d₅,d₆}，

S′＝{Ω′₃}；此时

与

的交集都是空集，所以第1个网络分割结束，此时

步骤3.5a：若S′≠φ，r＝r+1，转步骤3.3a，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。上述实施例1中，最终子网的划分结果为Γ′₁＝{s₁,s₂,s₄,s₅,s₆,d₁,d₂,d₄,d₅,d₆}，Γ′₂＝{s₃,d₃}，如图6所示。

上述步骤3中，采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻：

以最后一个数据包的发送时刻为0时刻，则在子网Γ′_l中第i个发送ACK/NACK信令的目的节点d_i发送ACK/NACK信令的时刻采用下式计算：

其中T_i ^ack为第i个发送ACK或NACK信令的目的节点d_i发送信令的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为ACK/NACK信令从d_i传输到s_j的时延，

为d_i发送ACK或NACK信令的持续时间，C为预设的保护时间，

为d_i所能影响到的源节点的集合，

为能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合。

上述实施例1中，以最后一个数据包的时间标签为0时刻，预设的保护时间C为1S，常数D为2S，ACK和NACK信令的长度

都为0.01S，下面以包含源节点(s₁,s₂,s₄,s₅,s₆)的网络为例，在该网络中目的节点d₁发送ACK或NACK信令时刻为：

T₁ ^ack＝D＝2.0

目的节点d₂发送ACK或NACK信令时刻为：

其中，根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

目的节点d₄发送ACK或NACK信令时刻为：

其中，

根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

目的节点d₅发送ACK或NACK信令时刻为：

其中，根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

目的节点d₆发送ACK或NACK信令时刻为：

其中，根据时延＝距离/声速的关系，可计算得到

本发明实施例2与实施例1的不同之处，其一在于步骤2中采用以下方法将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1b：计算每个源节点s_i(i＝1～M)以功率

发送数据时，能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目。

上述步骤2.1b中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_j(j＝1～M)以功率

发送数据时，影响到目的节点d_i的源节点集合

步骤2.1b.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平。

步骤2.1b.2：计算所有源节点s_j(j＝1～M)的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_i，计算每个源节点s_j以功率

发送数据时信号到达d_i处的功率

上述实施例2中，

a＝10^b(f)/10，其中

是s_j到d_i的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤2.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的点d_i的环境噪声功率水平，则

否则

上述实施例2中，根据节点间的距离，影响到目的节点d₁～d₆的源节点集合为

步骤2.2b：令Ω_i＝{d_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1。

上述实施例2中，Ω₁＝{d₁}，Ω₂＝{d₂}，Ω₃＝{d₃}，Ω₄＝{d₄}，Ω₅＝{d₅}，Ω₆＝{d₆}，

S＝{Ω₁,Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}。

步骤2.3b：选择任意Ω_j∈S，S＝S-Ω_j。

上述实施例2中，从S＝{Ω₁,Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}中任选一个Ω_j，然后将Ω_j去掉，并更新S，以选择Ω₁为例，则更新后的S＝{Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}。

步骤2.4b：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k。重复上述过程直至对任意

均有

令

上述实施例2中，从S中选择Ω_k，将

和

做交集，判断是否有相同的源节点，没有则跳过，有则将Ω_k和

分别并入Ω_j和

并从S中去掉Ω_k，重复上述过程直到S中所有的

与

相交都为空集时为止，将Ω_j和

做并集记录于Γ_r中。以Ω_j＝Ω₁，S＝{Ω₂,Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}为例，Ω_k＝{Ω_i|i＝2～6}，当i＝2时，

与

有共同源节点s₂，更新Ω₁＝{d₁,d₂}、

S＝{Ω₃,Ω₄,Ω₅,Ω₆}，当i＝3时，

与

没有共同源节点，所以跳过；当i＝4时，

与

有共同源节点s₁和s₄，所以更新Ω₁＝{d₁,d₂,d₄}，

S＝{Ω₃,Ω₅,Ω₆}；当i＝5时，

与

没有共同源节点，所以跳过；当i＝6时，

与

有共同源节点s₁，所以更新Ω₁＝{d₁,d₂,d₄,d₆}，

S＝{Ω₃,Ω₅}。此时

与

和

的交集都是空集，所以第1个网络分割结束，此时

步骤2.5b：若S≠φ，r＝r+1，转步骤2.3b，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

上述实施例2中，Γ₁＝{s₁,s₂,s₄,s₆,d₁,d₂,d₄,d₆}，Γ₂＝{s₃,d₃}，Γ₃＝{s₅,d₅}，如图4所示。

本发明实施例2与实施例1的第二个不同之处在于，步骤3中采用以下方法将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1b：计算每个目的节点d_i(i＝1～M)以功率

发送数据时，能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目。

上述步骤3.1b中，每个目的节点采用以下方法确定当目的节点d_j(j＝1～M)以功率

发送ACK/NACK时，影响到源节点s_i的目的节点集合

步骤3.1b.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平。

步骤3.1b.2：计算所有目的节点d_j(j＝1～M)的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_i，计算目的节点d_j以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_i处的功率

上述实施例2中，

a＝10^b(f)/10，其中

是d_j到s_i的距离，k＝1.5为几何扩散因子，f为信号的频率，b(f)为吸收损失，由下式计算得到：

步骤3.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_i的环境噪声功率水平，则

否则

上述实施例2中，根据节点间的距离，影响到源节点s₁～s₆的目的节点集合为

步骤3.2b：令Ω′_i＝{s_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1。

上述实施例2中，Ω′₁＝{s₁}，Ω′₂＝{s₂}，Ω′₃＝{s₃}，Ω′₄＝{s₄}，Ω′₅＝{s₅}，Ω′₆＝{s₆}，

S′＝{Ω′₁,Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}。

步骤3.3b：选择任意Ω′_j∈S′，S′＝S′-Ω′_j。

上述实施例2中，从S′＝{Ω′₁,Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}中任选一个Ω′_j，然后将Ω′_j去掉，并更新S′，以选择Ω′₁为例，则更新后的S′＝{Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}。

步骤3.4b：对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k。重复上述合并过程直至对任意

均有

令

上述实施例2中，从S′中选择Ω′_k，将

和

做交集，判断是否有相同的目的节点，没有则跳过，有则将Ω′_k和

分别并入Ω′_j和

并从S′中去掉Ω′_k，重复上述过程直到对S′中所有的

与

相交都为空集时为止，然后将Ω′_j和

做并集记录于Γ′_r中。以Ω′_j＝Ω′₁，S′＝{Ω′₂,Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}为例，Ω′_k＝{Ω′_i|i＝2～6}，当i＝2时，

与

有共同目的节点d₁，更新Ω′₁＝{s₁,s₂}、

S′＝{Ω′₃,Ω′₄,Ω′₅,Ω′₆}，当i＝3，

与

没有共同目的节点，所以跳过；当i＝4时

与

有共同目的节点d₁和d₄，所以更新Ω′₁＝{s₁,s₂,s₄}，

S′＝{Ω′₃,Ω′₅,Ω′₆}；当i＝5时，

与

有共同目的节点d₁，所以更新Ω′₁＝{s₁,s₂,s₄,s₅}，

S′＝{Ω′₃,Ω′₆}；当i＝6时，

与

有共同目的节点d₆，所以更新Ω′₁＝{s₁,s₂,s₄,s₅,s₆}，

S′＝{Ω′₃}。此时

与

的交集是空集，所以第1个网络分割结束，此时

步骤3.5b：若S′≠φ，r＝r+1，转步骤3.3b，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。上述实施例2中，最终子网的划分结果为

Γ′₂＝{s₃,d₃}。

Claims (9)

1.一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法中每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，其特征在于具体包含以下步骤：

步骤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；需要发起通信的源节点广播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；上述源节点或目的节点在发送RTS或CTS信令时，发射功率大于或等于该节点能成功发送数据至网络中距离该节点最远的节点所需的最小发射功率；

步骤2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个源节点采用相同的非随机算法，计算所有源节点以能成功发送数据至相应的目的节点所需的最小发射功率发送数据时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中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，以所述最小发射功率向相应目的节点发送数据；

步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算所有目的节点以能成功发送ACK或NACK信令至相应的源节点所需的最小发射功率发送信令时网络各节点的连接关系，将整个网络划分为互不连通的子网，并计算本节点在所属子网中能无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时至该时刻后，以所述最小发射功率向相应的源节点发送ACK或NACK信令。

2.根据权利要求1所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于所述步骤2中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1a：对于每个源节点s_i，i＝1～M，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的目的节点集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤2.2a：令Ω_i＝{s_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤2.3a：选择任意Ω_j∈S，且使S减去Ω_j，即S不包含Ω_j；

步骤2.4a：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k；重复步骤2.4a的上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤2.5a：若S≠φ，使r增加1，转步骤2.3a，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合；

或所述步骤2采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤2.1b：计算每个源节点s_i，i＝1～M，以功率

发送数据时，能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合

其中

为源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤2.2b：令Ω_i＝{d_i}，

i＝1～M，S＝{Ω_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤2.3b：选择任意Ω_j∈S，且使S减去Ω_j，即S不包含Ω_j；

步骤2.4b：对

若

φ为空集，则Ω_j＝Ω_j∪Ω_k，

S＝S-Ω_k；重复步骤2.4b的上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤2.5b：若S≠φ，使r增加1，转步骤2.3b，否则，则{Γ_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

3.根据权利要求1所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于

所述步骤2中采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻：

以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，则在子网Γ_l中第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻采用下式计算：

此处的j、k仅适用于本式子，指的是源节点集合和目的节点集合中所包含的节点下标，其中T_i ^data为第i个发送数据的源节点s_i发送数据的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为数据从s_i传输到d_j的时延，

为s_i发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间，

为s_i所能影响到的目的节点的集合，

为能影响到目的节点d_i的所有源节点的集合。

4.根据权利要求1所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于所述步骤3中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1a：对于每个目的节点d_i，i＝1～M，计算其以功率

发送数据时，所能影响到的源节点集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的目的节点数目；

步骤3.2a：令Ω′_i＝{d_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤3.3a：选择任意Ω′_j∈S′，且使S′减去Ω′_j，即S′不包含Ω′_j；

步骤3.4a对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k；重复上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤3.5a：若S′≠φ，使r增加1，转步骤3.3a，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合。

5.根据权利要求1所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于所述步骤3中，采用以下步骤将整个网络划分为互不连通的子网：

步骤3.1b：计算每个目的节点d_i，i＝1～M，以功率

发送数据时，能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合

其中

为目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率，M为整个网络在当前传输周期的源节点数目；

步骤3.2b：令Ω′_i＝{s_i}，

i＝1～M，S′＝{Ω′_i|i＝1～M}，r＝1；

步骤3.3b：选择任意Ω′_j∈S′，且使S′减去Ω′_j，即S′不包含Ω′_j；

步骤3.4b：对

若

φ为空集，则Ω′_j＝Ω′_j∪Ω′_k，

S′＝S′-Ω′_k；重复上述合并过程直至对任意

均有

令

步骤3.5b：若S′≠φ，使r增加1，转步骤3.3b，否则，则{Γ′_l|l＝1～r}为所求子网的节点集合；

上述步骤3中，采用以下方法计算本节点在所属子网中可以无冲突地发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻：

以网络中最后一个数据包的发送时刻为0时刻，则在子网Γ′_l中第i个发送ACK/NACK信令的目的节点d_i发送ACK/NACK信令的时刻采用下式计算：

此处的j、k仅适用于本式子，指的是源节点集合和目的节点集合中所包含的节点下标，其中T_i ^ack为第i个发送ACK或NACK信令的目的节点d_i发送信令的时刻，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数，

为ACK/NACK信令从d_i传输到s_j的时延，

为d_i发送ACK或NACK信令的持续时间，C为预设的保护时间，

为d_i所能影响到的源节点的集合，

为能影响到源节点s_i的所有目的节点的集合。

6.根据权利要求2所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于所述步骤1中，采用以下方法计算源节点s_i能成功发送数据至相应目的节点d_i和目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率：

步骤1.1：所有节点在信道空闲时检测环境噪声的功率水平；

步骤1.2：进入握手阶段后，源节点s_i以预先约定的发送功率

广播RTS信令，

大于或等于s_i能成功发送数据至网络中距离s_i最远的节点所需的最小发射功率；所述RTS信令中包含源节点s_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.3：目的节点d_i接收到源节点s_i发送的RTS信令后，根据预设的源节点s_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算目的节点d_i能成功发送ACK/NACK信令至相应源节点s_i所需的最小发射功率

其中

为信号从目的节点d_i传播到源节点s_i的功率衰减系数；

步骤1.4：目的节点d_i以预先约定的发送功率

广播CTS信令，

大于或等于d_i能成功发送ACK/NACK信令至网络中距离d_i最远的节点所需的最小发射功率；所述CTS信令中包含目的节点d_i当前环境噪声的功率水平

步骤1.5：源节点s_i接收到目的节点d_i发送的CTS信令后，根据预设的目的节点d_i能正确接收信号所要求的信噪比最低值

采用下式计算源节点s_i能成功发送ACK/NACK信令至相应目的节点d_i所需的最小发射功率

其中

为信号从源节点s_i传播到目的节点d_i的功率衰减系数。

7.根据权利要求6所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于步骤2.1a中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_i以功率

发送数据时所能影响到的目的节点集合

步骤2.1a.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平；

步骤2.1a.2：计算源节点s_i的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_j，计算s_i以功率

发送数据时信号到达d_j处的功率

步骤2.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的节点d_j的环境噪声功率水平，则

否则

上述步骤2.1b中，每个源节点采用以下方法确定源节点s_j，j＝1～M，以功率

发送数据时，影响到目的节点d_i的源节点集合

步骤2.1b.1：监听本传输周期内所有目的节点的CTS信令，并记录下每个目的节点的环境噪声功率水平；

步骤2.1b.2：计算所有源节点s_j，j＝1～M，的传输功率

对本传输周期内的每个目的节点d_i，计算每个源节点s_j以功率

发送数据时信号到达d_i处的功率

步骤2.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为目的点d_i的环境噪声功率水平，则

否则

8.根据权利要求4所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于步骤3.1a中，每个目的节点采用以下方法确定目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时所能影响到的源节点集合

步骤3.1a.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平；

步骤3.1a.2：计算目的节点d_i的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_j，计算目的节点d_i以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_j处的功率

为信号从目的节点d_i传播到源节点s_j的功率衰减系数；

步骤3.1a.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_j的环境噪声功率水平，则

否则

9.根据权利要求5所述的一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，其特征在于步骤3.1b中，每个目的节点采用以下方法确定当目的节点d_j，j＝1～M，以功率

发送ACK/NACK时，影响到源节点s_i的目的节点集合

步骤3.1b.1：监听本传输周期内所有源节点的RTS信令，并记录下每个源节点的环境噪声功率水平；

步骤3.1b.2：计算所有目的节点d_j(j＝1～M)的传输功率

对本传输周期内的每个源节点s_i，计算目的节点d_j以功率

发送ACK/NACK时信号到达s_i处的功率

其中

为信号从目的节点d_j传播到源节点s_i的功率衰减系数；

步骤3.1b.3：若

其中

为预设的阈值，

为源节点s_i的环境噪声功率水平，则

否则

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