CN108541021B - 一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于水下滑翔机组网的动态MAC协议。
背景技术
水声无线传感网络(UAWSNs)在海洋资源勘探、海洋环境监控等方面中发挥重要作用。然而由于光波及电磁波在水中传播衰减严重，声波在水中的衰减远小于光波和电磁波，故更适用于水下长距离通信，因此中采用声波进行通信。而水声信道具有带宽窄、传输时延大及时空不确定性等特点，给UAWSNs的研究带来诸多挑战。此外，UAWSNs在部署和应用中也面临诸多问题，如检测区域固定、节点投放与回收难度大。水下滑翔机的加入，提高了水下传感器网络对海洋物理现象及目标的跟踪和探测能力。因此，采用水下滑翔机组成的水下移动网络完成协同探测等复杂任务具有重要研究意义。与一般海洋监测所具有的广阔性相比，单个水下滑翔机活动区域有限，而多滑翔机网络可扩大任务区域，多滑翔机编队还可以完成协同探测及其他复杂任务。
传统MAC协议针对节点固定的静态水下传感网络，在网络拓扑不变的基础上采用预约/休眠方法进行信道分配，节约能量。而水下滑翔机的运动导致网络拓扑的改变，若将此类协议直接用于水下滑翔机组网，会造成不可靠的信道分配。此外，传感器节点因洋流等因素的作用具有一定移动性，因此，UGN采用的MAC协议需考虑UGN与静态水下传感网络的差异而做出改变。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的提供一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法。本发明采取以下技术方案：
一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突,包括如下几个方面：
(1)基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；
(2)时隙计算：时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发，各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包，B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：
TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1
其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个包时，源水下滑翔机的位置与接收到该包时目的水下滑翔机位置之间的距离，A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，ε为误差允许时间。
(3)冲突避免：设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，时隙最小化的优化问题表示为:
其中，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，d(α)表示发送信息前水下滑翔机间的初始距离，va表示滑翔机的运动速度，约束条件C1是一个关于β的表达式，将该优化问题应用混合整数规划方法求解。
(4)团队协作：各组水下滑翔机间的通信由它们的领队水下滑翔机完成，设参与协作的团队为A组、B组和C组，各组水下滑翔机的领队默认由水下滑翔机A1担任。A组的水下滑翔机A1担任领队在新时隙初向B组发送请求信号，到达B组后由B组领队负责接收处理。后续时隙A组领队与B组领队相互通信，当C组领队向B组发送REQUEST信号，B组内由B2号水下滑翔机负责接收，并向C领队发送BUSY信号，以防止A组与B组之间的通信受到影响，C会进入等待状态，直至某一时隙A与B通信结束，此时B组内的领队由B2号水下滑翔机担任，C组收到B组的CLEAR信号退出等待状态，B组与C组进入正常通信。
附图说明
图1为本发明的结构流程图；
图2为本发明的场景示意图；
图3为时隙组成结构图；
图4为本发明的收发时序图；
图5为地面坐标系和本体坐标系转换关系图。
具体实施方式
本发明提出的水下滑翔机组网的动态MAC协议利用水下滑翔机模型运动特点，基于支持向量机(SVM)回归定位方法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位[1]，然后利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，可进行动态分配时隙和预约收发。收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。
位置预测方法是基于SVM目标位置预测方法[2],该定位方法在无线传感网节点定位中具有比较高的准确率。利用水下滑翔机运动特点，基于其已有的水下运动轨迹曲线方程，可知在已知时刻的位置坐标，利用支持向量回归预测模型对运动目标节点进行位置预测。如“海燕号”水下滑翔机，已知时刻的水下运动轨迹曲线方程为：
其中，
表示由本体坐标系SB到大地坐标系SE的转换矩阵，三个姿态角分别定义为地面坐标系SE绕EY轴逆时针旋转ψ角，坐标系Ex1Yz1绕Ez1轴逆时针旋转θ角，坐标系Exy1z1绕Ex轴逆时针旋转φ角，原点为E。而支持向量回归定位方法分为学习和定位两个阶段，学习阶段意在建立SVM定位回归函数，定位阶段意在建立SVM回归定位模型，将运动目标节点接收到的跳数信息作为测试样本，使用建立的SVM定位回归函数来估计目标节点各个时刻位置。核函数选择高斯径向基核，x-xi定义为空间中任一点x到某一中心xi之间欧氏距离，
为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。
动态MAC协议的信道分配方法包括时隙计算和冲突避免两部分。时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发。各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包。B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：
TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1
其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个包时，源水下滑翔机的位置与接收到该包时目的水下滑翔机位置之间的距离，A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，ε为误差允许时间。
由于每次的发送都是在新时隙初始，故为避免等待时间过长，设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，时隙
最小化的优化问题表示为:
其中，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，d(α)表示发送信息前水下滑翔机间的初始距离，va表示滑翔机的运动速度，约束条件C1是一个关于β的表达式，将该优化问题应用混合整数规划方法求解。
信道分配方法的冲突避免策略是基于团队协作方式完成的。设参与协作的团队为A组、B组和C组，各组水下滑翔机间的通信由它们的领队水下滑翔机完成，各组水下滑翔机的领队默认由水下滑翔机A1担任。A组的水下滑翔机A1担任领队在新时隙初向B组发送请求信号，到达B组后由B组领队负责接收处理。后续时隙A组领队与B组领队相互通信。当C组领队向B组发送REQUEST信号，B组内由B2号水下滑翔机负责接收，并向C领队发送BUSY信号，以防止A组与B组之间的通信受到影响。C会进入等待状态，直至某一时隙A与B通信结束，此时B组内的领队由B2号水下滑翔机担任，C组收到B组的CLEAR信号退出等待状态，B组与C组进入正常通信。
下面以图3所示的水下滑翔机组网场景为例，收发时序如图4所示。当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包。若中途出现丢包现象，如A发送REQUEST之后，在接下来的2个时隙内一直没有接收到回复的CLEAR信号，则判定为丢包，进行重发REQUEST。数据包接收完成后，B在下一时隙开始向A发送ACK信号确认接收。而如果在A和B收发过程中，C组水下滑翔机欲向B通信，发送REQUEST信号，B在新时隙回复C一个BUSY信号，则C进入等待状态，直至B与A通信结束后，C收到B发来的CLEAR信号，退出等待状态，进入正常通信过程，在下一时隙向B发送数据包。
上述过程中各组水下滑翔机间的通信由它们的领队水下滑翔机完成，各组水下滑翔机的领队默认由水下滑翔机1担任。A组的水下滑翔机1担任领队在新时隙初向B组发送请求信号，到达B组后由B组领队负责接收处理。后续时隙A组领队与B组领队相互通信，该过程由图中由双箭头表示。当C组领队向B组发送REQUEST信号，B组内由2号水下滑翔机负责接收，并向C领队发送BUSY信号，以防止A组与B组之间的通信受到影响。
具体过程如下：
1：水下滑翔机组A首先通过水下滑翔机已知的运动曲线进行定位，然后利用支持向量回归预测方法对未知时刻运动目标滑翔机进行位置预测，得到周围水下滑翔机的轨迹位置信息。水下滑翔机“海燕号”已知的运动曲线如下式：
其中，
表示由本体坐标系SB到大地坐标系SE的转换矩阵，三个姿态角分别定义为地面坐标系SE绕EY轴逆时针旋转ψ角，坐标系Ex1Yz1绕Ez1轴逆时针旋转θ角，坐标系Exy1z1绕Ex轴逆时针旋转φ角，原点为E，地面坐标系和本体坐标系转换关系图如图5。若距离小于设置的阈值距离，则可通信，并计算可通信时间T2-T1的值；支持向量回归定位技术包括学习和定位两个阶段。学习阶段：首先通过采集已知节点位置信息和已知节点之间跳数信息作为训练样本，使用支持向量回归机技术得到连通信息到节点位置的映射函数，建立SVM定位回归函数。定位阶段：通过学习阶段建立的SVM回归定位模型，将运动目标节点接收到的跳数信息作为测试样本，使用建立的SVM定位回归函数来估计目标节点各个时刻位置。本发明采用由台湾大学林智仁博士等人开发的Libsvm进行回归训练，利用该工具实现多维输入一维输出的回归模型，完成了一维输出未知节点位置的要求。核函数的选择对数据的映射及测试样本的预测有很重要的影响，常用的核函数有多项式内核、径向基函数内核RBF和Sigmoind内核等。其中，高斯径向基核函数是应用最为广泛的核函数，具有很好的普遍性。因此，本文也采用高斯径向基核，x-xi定义为空间中任一点x到某一中心xi之间欧氏距离，
为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。
支持向量机回归定位方法具体描述为：
(1)初始阶段
滑翔机部署完成后，网络中的滑翔机作为UWSNs中的节点，利用典型的距离矢量交换协议，使网络中的已知滑翔机之间接收到邻居节点的ID、跳数、位置等网络连通信息作为训练数据，将目标滑翔机接收到的节点跳数信息和已知节点位置信息作为训练数据。
(2)学习阶段
将已知节点数据发送到簇头节点选取合理的路线发送回汇聚节点，当获得足够的训练样本后，执行回归训练，得到回归函数，从而建立了本文所需的回归定位函数模型。
(3)目标节点已知时刻位置估计阶段
最终，汇聚节点将回归函数发送到目标节点处，目标节点接收到汇聚节点发送的SVM信息后，目标节点根据自身存储的已知节点位置信息和网络连通信息作为测试数据，利用回归函数完成目标节点某一时刻的位置估计。
2：A欲向B发REQUEST包，按下式计算时隙
其中，设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，记为1500m/s，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，它由[α,β]时间内源点移动Ds、目的点移动Dd及α时两点间初始距离D0计算得到，d(α)表示发送信息前水下滑翔机的初始距离，va表示滑翔机的运动速度。时隙的组成如图3所示。A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，判断T2-T1是否远大于
若为真，则开始发包；若为假，终止。
3：水下滑翔机向目的水下滑翔机发包，希望目的水下滑翔机在信号接收结束时的时隙即将耗尽，故需要告知目的滑翔机开始发送时间及时隙的长度，方便接收者及时在新时隙开始发送信号，减少不必要的等待时间。所以B接收到REQUEST包并解析该包，获得α和τ的信息，执行步骤4；若B未收到包，A等待后重发，执行步骤2；
4：更新位置信息，与计算
同理，计算发送CLEAR包所需时隙，发送CLEAR包。
5:重复上述步骤处理CLEAR包、数据包和ACK包。
6：判断
(n为正常收发包的个数)。若为真，更新位置信息，继续发包；若为假，终止。
7：在上述步骤的收发过程中，若有C同时要求与B通信，向B发送REQUEST包，则由B1向C回复BUSY信号。C接收并解析该包，进入等待状态，直至接收到B1发来的CLEAR包。退出等待状态的C重复步骤2处理CLEAR包。
另外，上述A、B和C均默认为水下滑翔机组领队，B1为B组成员滑翔机1。
参考文献：
[1]毛科技,范聪玲,叶飞,等.基于支持向量机的无线传感器网络节点定位算法[J].计算机研究与发展,2014,51(11):2427-2436.
[2]刘明,王婷婷,黄小燕,等.基于SVM分类区域的传感器网络节点自定位算法[J].计算机应用,2009,29(4):1064-1067.
Claims (1)
1.一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间的通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突，包括如下几个方面：
(1)基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；
(2)时隙计算：确定收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发，各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B组完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A组回复CLEAR信号确认接收，只要A组接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包，B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：
TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1
其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个包时，源水下滑翔机的位置与接收到该包时目的水下滑翔机位置之间的距离，A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，ε为误差允许时间；
(3)冲突避免：设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，时隙最小化的优化问题表示为:
min τ
where τ≥β-α-tr
s.t.
C1.ts+t+tr＝β-α
C2.
其中，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，d(α)表示发送信息前水下滑翔机间的初始距离，va表示滑翔机的运动速度，约束条件C1是一个关于β的表达式，将该优化问题应用混合整数规划方法求解；
(4)团队协作：各组水下滑翔机间的通信由它们的领队水下滑翔机完成，设参与协作的团队为A组、B组和C组，各组水下滑翔机的领队默认由水下滑翔机A1担任，A组的水下滑翔机A1担任领队在新时隙初向B组发送请求信号，到达B组后由B组领队作为B组目标水下滑翔机负责接收处理，后续时隙A组领队与B组领队相互通信，当C组领队向B组发送REQUEST信号，B组内由B2号水下滑翔机作为B组目标水下滑翔机负责接收，并向C组领队发送BUSY信号，以防止A组与B组之间的通信受到影响，C组会进入等待状态，直至某一时隙A与B通信结束，此时B组领队由B2号水下滑翔机担任，C组收到B组的CLEAR信号退出等待状态，B组与C组进入正常通信。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210813 Termination date: 20220127 |
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