CN107919950B

CN107919950B - 一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法

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Publication number: CN107919950B
Application number: CN201710934736.XA
Authority: CN
Inventors: 张军; 胡智; 宁更新; 冯义志; 余华; 季飞; 陈芳炯
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: CN107919950A

Abstract

本发明公开了一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合，在握手阶段RTS/CTS信令采用并发式的时分复用机制并行地传输，可以完全消除RTS/CTS信令的冲突，避免现有方法因节点无法准确掌握同一传输周期内所有握手成功的节点对而错误计算发送数据的时间带来的数据传输冲突，同时又能减少握手的时间，提高传输效率；上一数据传输状态中的ACK/NACK信令在下一握手状态的RTS或CTS时隙发送，无需单独安排时间进行传输，使信道的利用效率更高效。发明提供了两种休眠机制，能有效地减少节点的能耗，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有重要的作用。

Description

一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法。

背景技术

静态的水声通信网络通常由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点构成，它们之间通过双向声链路组成分布式、多节点、大覆盖面积的水下三维网络，可以对水下信息进行采集、处理、分类、压缩等操作，并能将信息通过水下节点以中继方式回传到陆基或船基的信息中心。

媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)是水声通信网络络的关键技术，决定了节点共享水声信道资源的方式，其性能直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。水声信道时延长的特点是影响水声网络 MAC协议性能的最主要因素之一，长时延使得冲突对水声网络性能的影响远大于陆上的无线网络，因此在竞争信道的水声网络中，有一大类MAC 协议采用了握手技术来避免冲突。但在现有的基于握手的水声网络MAC 协议中，受水下带宽的限制，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之处： (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和中国发明专利CN201610697973.4分别提供了一种适用于全静态节点水声网络和包含运动节点水声网络的多节点并行通信方法，上述方法能让多组节点在同一个传输周期内无冲突地并行传输数据，可以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。中国发明专利201710064153.6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。

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，但由于这些方法要求源节点准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点信息，并据此规划发送数据的时间，因此在实际应用中仍存在以下不足：(1)在握手阶段RTS/CTS的冲突会引起传输错误。在上述方法中，由于握手阶段RTS/CTS的发送是随机的，因此不可避免地存在冲突的可能，使需要通信的节点无法准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点对，因而错误计算发送数据的时间；(2)ACK/NACK信令的传输效率较低。上述方法中，当所有节点的数据传输完成后，需要单独安排一段时间来供目的节点发送ACK/NACK信令，这段额外的开销时间在整个传输周期中占有一定比例，降低了信道利用率。(3)未包含休眠机制。上述方法中均未包含休眠机制，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有较明显的局限。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，节点采用经过优化的时分复用方法发送 RTS/CTS信令，可以有效避免RTS/CTS信令的冲突，同时将ACK/NACK 信令的发送与下一传输周期的RTS/CTS信令发送相结合，并提供了节点休眠的机制，能有效地提高信道利用率，节约能耗，可以广泛用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，具体包含以下步骤：

步骤S1、在水声通信网络通初始化状态，网络中所有节点同步时钟，检测网络中每对节点间的传播时延并保存到每个节点中。网络初始化完毕后，由其中一个节点广播网络启动信令，网络进入握手状态。

其中，水声通信网络通常由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点构成，它们之间通过双向声链路组成分布式、多节点、大覆盖面积的水下三维网络。

步骤S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令。若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令。每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则重新转至步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输状态。

步骤S3、在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点可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，向相应目的节点发送数据。所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态。

上述步骤S2中，当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS 和CTS时隙：

以网络启动信令的时间标签或上一握手状态优先级最低的节点CTS 时隙结束时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(T_i ^RTS,T_i ^RTS+P^RTS)，其中

C_h为预设的时间且C_h大于任意两节点间传输时延的最大值，P^RTS为发送 RTS信令所需的时间，N为网络中节点的数目，T_i ^RTS为优先级为i的节点发送RTS的时刻，D_i,j为RTS从节点i到节点j的传播时延，D_h为预设的保护时间。

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^CTS为发送CTS信令所需的时间。

上述步骤S2中，当节点从数据传输状态转到握手状态时，上一传输周期中的目的节点在自己的CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：

以数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，优先级为 i的节点的RTS时隙为(T_i ^RTS,T_i ^RTS+P^RTS)，其中

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^ACK为发送ACK/NACK信令所需的时间。

上述步骤S2中，以网络启动信令的时间标签、上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻或数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，每个节点在(0,T^RTS)时间内随机发送RTS信令，其中T^RTS为预设的RTS发送时间。

当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙 (T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)

当节点从数据传输状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)

上述步骤S3中，每个源节点采用以下方法计算本节点可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，优先级在本次传输所有源节点的优先级中按从高到低排序为l的源节点发送数据的时刻为

其中T_l ^data为优先级排序为l的源节点发送数据的时刻，s_l和d_l分别为优先级为l的源节点和相应的目的节点，

为数据从s_i传输到d_j的传播时延，

为优先级排序为j的源节点发送数据包所需的时间，C_d为预设的时间且C_d大于任意两节点间传输时延的最大值，D_d为预设的保护时间。

上述一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，当某个握手状态中有节点成功握手时，无需发送或接收数据的节点计算数据传输状态的持续时间，并在数据传输状态开始时休眠，至数据传输状态结束时唤醒。

上述一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，若连续K个握手状态均无节点握手成功，K为预设值，水声通信网络进入同步状态。在同步状态中，未休眠的节点在时隙(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)中发送同步信令，其中P^SYN为发送同步信令所需的时间，T_i ^SYN为优先级为i的节点发送同步信令的时刻，以上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，T_i ^SYN采用下式计算(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)

上述同步状态，包含让新节点加入网络的时隙

需要加入网络的新节点在该时隙中发送加入网络信令，其中D^INS为预设的时间长度，C_d为预设的时间且C_d大于任意两节点间传输时延的最大值，D_d为预设的保护时间。

上述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，采用以下步骤实现节点的长时间休眠/唤醒或退出/加入：

步骤R1、当某一节点要进入长时间休眠或退出网络时，在自己的RTS 时隙或CTS时隙中发送退出网络信令并进入休眠状态。其他节点在接收到退出网络信令后，将该节点从节点列表中删除。

步骤R2、当某一节点结束长时间休眠或要加入网络时，先监听信道，当检测到同步状态时，在新节点加入网络时隙中发送加入网络信令，当前未休眠节点收到上述加入网络信令后，进入网络初始化状态；当上述节点在超过预设时间内未检测到任何未休眠节点的数据时，则该节点为网络中的唯一未休眠节点，进入握手状态并等待新节点加入。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、握手阶段RTS/CTS信令采用并发式的时分复用机制并行地传输，可以完全消除RTS/CTS信令的冲突，避免现有方法因节点无法准确掌握同一传输周期内所有握手成功的节点对而错误计算发送数据的时间带来的数据传输冲突，同时又能减少握手的时间，提高传输效率。

2、上一数据传输状态中的ACK/NACK信令在下一握手状态的RTS或 CTS时隙发送，无需单独安排时间进行传输，使信道的利用效率更高效。

3、本发明提供了两种休眠机制，能有效地减少节点的能耗，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有重要的作用。

附图说明

图1是本发明公开的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法的流程步骤图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明实施例为一个具有8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，节点1～8 的坐标分别为(50，60，70)、(200，60，80)、(150，150，150)、(100，100， 100)、(500，500，500)、(0，0，0)、(1000，1000，1000)、(210，220，400)。每个节点均能监听到其他节点的信号，各个节点的通信方式为全方向、半双工，声速为1500m/s。所有节点的采用相同长度的数据包和相同长度的 ACK/NACK信令。

本发明实施例中，采用以下步骤来实现多节点的通信，其流程如图1 所示。

步骤S1、在网络初始化状态，网络中所有节点同步时钟，检测网络中每对节点间的传播时延并保存到每个节点中。网络初始化完毕后，由其中一个节点广播网络启动信令，网络进入握手状态。

本实施例中，节点1～8进行时钟同步后，根据各节点的坐标和声速计算两两之间的传播时延

其中(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)分别为节点i和节点j的坐标，c为声波在水中的传播速度，D_i,j为节点i到节点j的传播时延。上述实施例中，根据各个节点的坐标和声速，在每个节点中保存以下时延列表：

表1.水声通信网络各节点时延列表(单位：秒)

	1	2	3	4	5	6	7	8
									1	0	0.100	0.104	0.047	0.508	0.070	1.085	0.267
2	0.100	0	0.083	0.073	0.452	0.149	1.026	0.239
									3	0.104	0.083	0	0.058	0.404	0.173	0.981	0.178
4	0.047	0.073	0.058	0	0.462	0.115	1.039	0.228
									5	0.508	0.452	0.404	0.462	0	0.577	0.577	0.277
6	0.070	0.149	0.173	0.115	0.577	0	1.155	0.335
									7	1.085	1.026	0.981	1.039	0.577	1.155	0	0.841
8	0.267	0.239	0.178	0.228	0.277	0.335	0.841	0

步骤S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令。若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令。每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则转步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输阶段。

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^CTS为发送CTS信令所需的时间。

本实施例中，C_h设为2秒，D_h设为0.1秒，P^RTS设为0.1秒，P^CTS设为 0.1秒。当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，各节点的发送RTS时隙分别为：

节点1：

T₁ ^RTS＝C_h＝2.000

(T₁ ^RTS,T₁ ^RTS+P^RTS)＝(2.000,2.100)

节点2：

T₂ ^RTS＝max(T₁ ^RTS+D_1,j-D_2,j)+P^RTS+D_h＝2.300，j＝1～8

(T₂ ^RTS,T₂ ^RTS+P^RTS)＝(2.300,2.400)

节点3：

T₃ ^RTS＝max(T₂ ^RTS+D_2,j-D_3,j)+P^RTS+D_h＝2.583，j＝1～8

(T₃ ^RTS,T₃ ^RTS+P^RTS)＝(2.583,2.683)

节点4：

T₄ ^RTS＝max(T₃ ^RTS+D_3,j-D_4,j)+P^RTS+D_h＝2.841，j＝1～8

(T₄ ^RTS,T₄ ^RTS+P^RTS)＝(2.841,2.941)

节点5：

T₅ ^RTS＝max(T₄ ^RTS+D_4,j-D_5,j)+P^RTS+D_h＝3.503，j＝1～8

(T₅ ^RTS,T₅ ^RTS+P^RTS)＝(3.503,3.603)

节点6：

T₆ ^RTS＝max(T₅ ^RTS+D_5,j-D_6,j)+P^RTS+D_h＝4.280，j＝1～8

(T₆ ^RTS,T₆ ^RTS+P^RTS)＝(4.280,4.380)

节点7：

T₇ ^RTS＝max(T₆ ^RTS+D_6,j-D_7,j)+P^RTS+D_h＝5.635，j＝1～8

(T₇ ^RTS,T₇ ^RTS+P^RTS)＝(5.635,5.735)

节点8：

T₈ ^RTS＝max(T₇ ^RTS+D_7,j-D_8,j)+P^RTS+D_h＝6.676，j＝1～8

(T₈ ^RTS,T₈ ^RTS+P^RTS)＝(6.676,6.776)

各节点的CTS时隙分别为：

节点1：

T₁ ^CTS＝max(T₈ ^RTS+D_8,j-D_1,j)+P^RTS+D_h＝7.143,j＝1～8

(T₁ ^CTS,T₁ ^CTS+P^CTS)＝(7.143,7.243)

节点2：

T₂ ^CTS＝max(T₁ ^CTS+D_1,j-D_2,j)+P^CTS+D_h＝7.443,j＝1～8

(T₂ ^CTS,T₂ ^CTS+P^CTS)＝(7.443,7.543)

节点3：

T₃ ^CTS＝max(T₂ ^CTS+D_2,j-D_3,j)+P^CTS+D_h＝7.726,j＝1～8

(T₃ ^CTS,T₃ ^CTS+P^CTS)＝(7.726,7.826)

节点4：

T₄ ^CTS＝max(T₃ ^CTS+D_3,j-D_4,j)+P^CTS+D_h＝7.984,j＝1～8

(T₄ ^CTS,T₄ ^CTS+P^CTS)＝(7.984,8.084)

节点5：

T₅ ^CTS＝max(T₄ ^CTS+D_4,j-D_5,j)+P^CTS+D_h＝8.646,j＝1～8

(T₅ ^CTS,T₅ ^CTS+P^CTS)＝(8.646,8.746)

节点6：

T₆ ^CTS＝max(T₅ ^CTS+D_5,j-D_6,j)+P^CTS+D_h＝9.423,j＝1～8

(T₆ ^CTS,T₆ ^CTS+P^CTS)＝(9.423,9.523)

节点7：

T₇ ^CTS＝max(T₆ ^CTS+D_6,j-D_7,j)+P^CTS+D_h＝10.778,j＝1～8

(T₇ ^CTS,T₇ ^CTS+P^CTS)＝(10.778,10.878)

节点8：

T₈ ^CTS＝max(T₇ ^CTS+D_7,j-D_8,j)+P^CTS+D_h＝11.819,j＝1～8

(T₈ ^CTS,T₈ ^CTS+P^CTS)＝(11.819,11.919)

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^ACK为发送ACK/NACK信令所需的时间。

本实施例中，P^ACK设为0.1秒，各节点的RTS时隙的计算与节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时RTS时隙的计算相同，CTS时隙分别为：

节点1：

T₁ ^CTS＝max(T₈ ^RTS+D_8,j-D_1,j)+P^RTS+D_h＝7.143,j＝1～8

(T₁ ^CTS,T₁ ^CTS+P^CTS)＝(7.143,7.243)

节点2：

T₂ ^CTS＝max(T₁ ^CTS+D_1,j-D_2,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝7.543,j＝1～8

(T₂ ^CTS,T₂ ^CTS+P^CTS)＝(7.543,7.643)

节点3：

T₃ ^CTS＝max(T₂ ^CTS+D_2,j-D_3,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝7.926,j＝1～8

(T₃ ^CTS,T₃ ^CTS+P^CTS)＝(7.926,8.026)

节点4：

T₄ ^CTS＝max(T₃ ^CTS+D_3,j-D_4,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝8.284,j＝1～8

(T₄ ^CTS,T₄ ^CTS+P^CTS)＝(8.284,8.384)

节点5：

T₅ ^CTS＝max(T₄ ^CTS+D_4,j-D_5,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝9.046,j＝1～8

(T₅ ^CTS,T₅ ^CTS+P^CTS)＝(9.046,9.146)

节点6：

T₆ ^CTS＝max(T₅ ^CTS+D_5,j-D_6,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝9.923,j＝1～8

(T₆ ^CTS,T₆ ^CTS+P^CTS)＝(9.923,10.023)

节点7：

T₇ ^CTS＝max(T₆ ^CTS+D_6,j-D_7,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝11.378,j＝1～8

(T₇ ^CTS,T₇ ^CTS+P^CTS)＝(11.378,11.478)

节点8：

T₈ ^CTS＝max(T₇ ^CTS+D_7,j-D_8,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝12.519,j＝1～8

(T₈ ^CTS,T₈ ^CTS+P^CTS)＝(12.519,12.619)

以节点1、2、3分别需要向节点5、6、7发送数据为例，在检测到信道空闲时，节点1、2、3分别广播RTS信令，节点5、6、7接收相应的RTS 信令后，分别广播回复CTS信令。每个节点侦听并记录下本次传输周期中成功握手的通信请求(1，5)、(2，6)、(3，7)。

步骤S3在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，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，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态。

上述步骤S3中，每个源节点采用以下方法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：

为数据从s_i传输到d_j的传播时延，

上述实施例中，C_d设为2秒，D_d设为0.1秒，

设为1秒，j＝1～3，各源节点发送数据的时刻分别为：

节点1：

T₁ ^data＝C_d＝2.000

节点2：

T₂ ^data＝max(T₁ ^data+P₁ ^data+D_1，6-D_2，6,T₁ ^data+P₁ ^data+D_1,5-D_2,5)+D_d

＝3.021

节点3：

T₃ ^data＝max{max(T₁ ^data+P₁ ^data+D_1,7-D_3,7,T₁ ^data+P₁ ^data+D_1,5-D_3,5),

max(T₂ ^data+P₂ ^data+D_2,7-D_3,7,T₂ ^data+P₂ ^data+D_2,6-D_3,6)}+D_d

＝4.166

本实施例中，当某个握手状态中有节点成功握手时，无需发送或接收数据的节点计算数据传输状态的持续时间，并在数据传输状态开始时休眠，至数据传输状态结束时唤醒。以节点1、2、3分别需要向节点5、6、7发送数据，节点4和8休眠为例，节点4和8休眠的时隙为

(0,T₃ ^data+P^data)＝(0,5.166)

本实施例中，若连续K个握手状态均无节点握手成功，K为预设值，网络进入同步状态。在同步状态中，未休眠的节点在时隙(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)中发送同步信令，其中P^SYN为发送同步信令所需的时间，T_i ^SYN为优先级为i的节点发送同步信令的时刻，以上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，T_i ^SYN采用下式计算(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)

上述同步状态，包含让新节点加入网络的时隙

需要加入网络的新节点在该时隙中发送加入网络信令，其中D^INS为预设的时间长度。

上述实施例中，P^SYN设置为0.1秒，D^INS设置为1秒，各节点的同步信令时隙分别为：

节点1：

T₁ ^SYN＝C_d＝2.000

(T₁ ^SYN,T₁ ^SYN+P^SYN)＝(2.000,2.100)

节点2：

T₂ ^SYN＝max(T₁ ^SYN+D_1,j-D_2,j)+P^SYN+D_d＝3.200,j＝1～8

(T₂ ^SYN,T₂ ^SYN+P^SYN)＝(2.300,2.400)

节点3：

T₃ ^SYN＝max(T₂ ^SYN+D_2,j-D_3,j)+P^SYN+D_d＝2.583,j＝1～8

(T₃ ^SYN,T₃ ^SYN+P^SYN)＝(2.583,2.683)

节点4：

T₄ ^SYN＝max(T₃ ^SYN+D_3,j-D_4,j)+P^SYN+D_d＝2.841,j＝1～8

(T₄ ^SYN,T₄ ^SYN+P^SYN)＝(2.841,2.941)

节点5：

T₅ ^SYN＝max(T₄ ^SYN+D_4,j-D_5,j)+P^SYN+D_d＝3.503,j＝1～8

(T₅ ^SYN,T₅ ^SYN+P^SYN)＝(3.503,3.603)

节点6：

T₆ ^SYN＝max(T₅ ^SYN+D_5,j-D_6,j)+P^SYN+D_d＝4.280，j＝1～8

(T₆ ^SYN,T₆ ^SYN+P^SYN)＝(4.280,4.380)

节点7：

T₇ ^SYN＝max(T₆ ^SYN+D_6,j-D_7,j)+P^SYN+D_d＝5.635,j＝1～8

(T₇ ^SYN,T₇ ^SYN+P^SYN)＝(5.635,5.735)

节点8：

T₈ ^SYN＝max(T₇ ^SYN+D_7,j-D_8,j)+P^SYN+D_d＝6.676,j＝1～8

(T₈ ^SYN,T₈ ^SYN+P^SYN)＝(6.676,6.776)

新节点加入网络的时隙：

本实施例中，采用以下步骤实现节点的长时间休眠/唤醒或退出/加入：

本实施例中，以节点3为例，当节点3要进入长时间休眠或退出网络时，在其RTS时隙

(T₃ ^RTS,T₃ ^RTS+P^RTS)＝(2.583,2.683)

中发送退出网络信令并进入休眠状态。其他节点在接收到退出网络信令后，将该节点从节点列表中删除。

本实施例中，以节点3为例，当节点3结束长时间休眠或要加入网络时，先监听信道，当检测到同步状态时，在新节点加入网络的时隙

中发送加入网络信令，当前未休眠节点收到上述加入网络信令后，进入网络初始化状态；当在超过预设时间内未检测到任何未休眠节点的数据，则该节点为网络中的唯一未休眠节点，进入握手状态并等待新节点加入。

为了减少握手的时间，上述步骤S2中，以网络启动信令的时间标签、上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻或数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，每个节点在(0,T^RTS)时间内随机发送 RTS信令。当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙 (T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)

T^RTS为预设的RTS发送时间。当节点从数据传输状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)

本实施例中T^RTS设置为2秒，当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，各节点的CTS时隙分别为：

节点1：

T₁ ^CTS＝max(T^RTS+D_8,j-D_1,j)+P^RTS+D_h＝2.467,j＝1～8

(T₁ ^CTS,T₁ ^CTS+P^CTS)＝(2.467,2.567)

节点2：

T₂ ^CTS＝max(T₁ ^CTS+D_1,j-D_2,j)+P^CTS+D_h＝2.767,j＝1～8

(T₂ ^CTS,T₂ ^CTS+P^CTS)＝(2.767,2.867)

节点3：

T₃ ^CTS＝max(T₂ ^CTS+D_2,j-D_3,j)+P^CTS+D_h＝3.050,j＝1～8

(T₃ ^CTS,T₃ ^CTS+P^CTS)＝(3.050,3.150)

节点4：

T₄ ^CTS＝max(T₃ ^CTS+D_3,j-D_4,j)+P^CTS+D_h＝3.308,j＝1～8

(T₄ ^CTS,T₄ ^CTS+P^CTS)＝(3.308,3.408)

节点5：

T₅ ^CTS＝max(T₄ ^CTS+D_4,j-D_5,j)+P^CTS+D_h＝3.970,j＝1～8

(T₅ ^CTS,T₅ ^CTS+P^CTS)＝(3.970,4.070)

节点6：

T₆ ^CTS＝max(T₅ ^CTS+D_5,j-D_6,j)+P^CTS+D_h＝4.747,j＝1～8

(T₆ ^CTS,T₆ ^CTS+P^CTS)＝(4.747,4.847)

节点7：

T₇ ^CTS＝max(T₆ ^CTS+D_6,j-D_7,j)+P^CTS+D_h＝6.102,j＝1～8

(T₇ ^CTS,T₇ ^CTS+P^CTS)＝(6.102,6.202)

节点8：

T₈ ^CTS＝max(T₇ ^CTS+D_7,j-D_8,j)+P^CTS+D_h＝7.143,j＝1～8

(T₈ ^CTS,T₈ ^CTS+P^CTS)＝(7.143,7.243)

当节点从数据传输状态转到握手状态时，各节点的CTS时隙分别为：

节点1：

T₁ ^CTS＝max(T^RTS+D_8,j-D_1,j)+P^RTS+D_h＝2.467,j＝1～8

(T₁ ^CTS,T₁ ^CTS+P^CTS)＝(2.467,2.567)

节点2：

T₂ ^CTS＝max(T₁ ^CTS+D_1,j-D_2,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝2.867,j＝1～8

(T₂ ^CTS,T₂ ^CTS+P^CTS)＝(2.867,2.967)

节点3：

T₃ ^CTS＝max(T₂ ^CTS+D_2,j-D_3,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝3.250,j＝1～8

(T₃ ^CTS,T₃ ^CTS+P^CTS)＝(3.250,3.350)

节点4：

T₄ ^CTS＝max(T₃ ^CTS+D_3,j-D_4,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝3.608,j＝1～8

(T₄ ^CTS,T₄ ^CTS+P^CTS)＝(3.608,3.708)

节点5：

T₅ ^CTS＝max(T₄ ^CTS+D_4,j-D_5,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝4.370,j＝1～8

(T₅ ^CTS,T₅ ^CTS+P^CTS)＝(4.370,4.470)

节点6：

T₆ ^CTS＝max(T₅ ^CTS+D_5,j-D_6,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝5.247,j＝1～8

(T₆ ^CTS,T₆ ^CTS+P^CTS)＝(5.247,5.347)

节点7：

T₇ ^CTS＝max(T₆ ^CTS+D_6,j-D_7,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝6.702,j＝1～8

(T₇ ^CTS,T₇ ^CTS+P^CTS)＝(6.702,6.802)

节点8：

T₈ ^CTS＝max(T₇ ^CTS+D_7,j-D_8,j)+P^CTS+P^ACK+D_h＝7.843,j＝1～8

(T₈ ^CTS,T₈ ^CTS+P^CTS)＝(7.843,7.943)。

综上所述，上述实施例中提供一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，节点采用经过优化的时分复用方法发送RTS/CTS信令，可以有效避免RTS/CTS信令的冲突，同时将ACK/NACK信令的发送与下一传输周期的RTS/CTS信令发送相结合，并提供了节点休眠的机制，能有效地提高信道利用率，节约能耗，可以广泛用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通信方法包括下列步骤：

S1、初始化水声通信网络，网络中所有节点同步时钟，检测网络中每对节点间的传播时延并保存到每个节点中，由其中一个节点广播网络启动信令，水声通信网络进入握手状态，其中，所述的传播时延根据各节点的坐标和声速计算；

S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令；

若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则重新转至步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输状态；

所述的步骤S2中，当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：

以网络启动信令的时间标签或上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(T_i ^RTS,T_i ^RTS+P^RTS)，

其中

C_h为预设的时间且C_h大于任意两节点间传输时延的最大值，P^RTS为发送RTS信令所需的时间，N为网络中节点的数目，T_i ^RTS为优先级为i的节点发送RTS的时刻，D_i,j为RTS从节点i到节点j的传播时延，D_h为预设的保护时间；

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^CTS为发送CTS信令所需的时间；

当节点从数据传输状态转到握手状态时，上一传输周期中的目的节点在自己的CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：

以数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(T_i ^RTS,T_i ^RTS+P^RTS)，其中

优先级为i的节点的CTS时隙为(T_i ^CTS,T_i ^CTS+P^CTS)，其中

P^ACK为发送ACK/NACK信令所需的时间；

S3、在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点可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，向相应目的节点发送数据，所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态；

所述的步骤S3中，每个源节点采用以下方法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：

为数据从s_i传输到d_j的传播时延，

2.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通信方法中当某个握手状态中有节点成功握手时，无需发送或接收数据的节点计算数据传输状态的持续时间，并在数据传输状态开始时休眠，至数据传输状态结束时唤醒。

3.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通信方法中若连续K个握手状态均无节点握手成功，K为预设值，水声通信网络进入同步状态，在同步状态中，未休眠的节点在时隙(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)中发送同步信令，其中P^SYN为发送同步信令所需的时间，T_i ^SYN为优先级为i的节点发送同步信令的时刻，以上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，T_i ^SYN采用下式计算(T_i ^SYN,T_i ^SYN+P^SYN)

上述同步状态，包含让新节点加入网络的时隙

4.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通信方法中采用以下步骤实现节点的长时间休眠或退出：

当某一节点要进入长时间休眠或退出网络时，在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送退出网络信令并进入休眠状态，其他节点在接收到退出网络信令后，将该节点从节点列表中删除。

5.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通信方法中采用以下步骤实现节点的唤醒或加入：

当某一节点结束长时间休眠或要加入网络时，先监听信道，当检测到同步状态时，在新节点加入网络时隙中发送加入网络信令，当前未休眠节点收到上述加入网络信令后，进入网络初始化状态；当上述节点在超过预设时间内未检测到任何未休眠节点的数据时，则该节点为网络中的唯一未休眠节点，进入握手状态并等待新节点加入。

6.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中初始化水声通信网络具体包括：

水声通信网络中所有节点同步时钟，检测水声通信网络中每对节点间的传播时延并保存到每个节点中。