CN108990090B - 一种面向水下目标检测的水声传感网络媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向水下目标检测的水声传感网络媒体接入控制方法。现有方法对于目标检测型水声传感网络具有不适用性。本发明首先由融合中心向收集到目标状态信息的节点广播顺序包，传感节点接收到顺序包后，按照数据包调度表，向融合中心发送数据包；融合中心完成数据包收集后，发至汇聚节点；节点接收到RTS包后，向上一跳节点反馈CTS包后，等待时间后，向下一跳节点发送RTS包进行信道预约；节点接收到CTS包后，等待时间后，向下一跳节点发送数据包；节点接收到下一跳节点的CTS包后，等待时间后，向下一跳节点转发DATA包。本发明方法降低了数据包传输冲突概率，降低了数据包端到端传输时延，并提高了目标跟踪准确度。

Description

一种面向水下目标检测的水声传感网络媒体接入控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体是水声传感网络的媒体接入控制(Media AccessControl，MAC)技术领域，具体涉及一种面向水下目标检测的水声传感网络媒体接入控制方法。

背景技术

近年来，我国对海洋的探测与开发越发重视，水声传感网络的相关技术也迅速发展，并且广泛应用于海洋探测，例如海洋环境监测、水下目标检测与灾难预警等。水下目标检测是水声传感网络的重要应用之一。

在水下目标检测中，节点只在检测到目标并收集目标信息后才发送信息，需将包含目标状态信息的数据包即时发送至汇聚节点。由于在水下目标检测中，目标进入被检测区域的时刻随机，且相对于网络运行时间，目标出现时间较短，传感节点大部分时间不需要相互通信。另外，对基于水声传感网络的目标检测问题，需要利用多个传感节点收集的目标信息才能完成目标检测任务。因此，水下目标检测具有实时性要求高、数据突发产生、数据量小等特点。

现有水下目标检测主要着眼于研究目标检测方法，对支撑水下目标检测的水声传感网络数据包传输方法及其协议的工作还不多。而MAC协议设计是水声传感网络的核心内容，水下目标检测方法的前提是传感节点检测到的关于目标的数据能够可靠地发送至汇聚节点，因此，需要合适的MAC协议保证数据包的可靠传输，并且降低数据包端到端传输时延，满足目标检测的实时性需求，提高目标跟踪准确度。

本发明涉及了水下目标检测方面内容，介绍如下：

水下目标检测系统模型：如图1所示，水声传感网络由多个传感节点和一个汇聚节点组成，在网络运行期间内，传感节点周期性执行定位算法完成节点定位，获取自身位置。

在分布式目标检测中，单个节点无法独立完成目标检测，多个节点检测到的目标状态信息需融合才能完成目标状态估计。水下目标检测包括目标探测、融合中心数据收集、目标状态估计与数据多跳转发等4个步骤，4个步骤顺序执行。目标探测分为被动侦听与距离测量两个阶段。在被动侦听阶段，节点通过感知目标辐射噪声判定目标是否存在，若判定目标存在，节点进入距离测量阶段；在距离测量阶段，侦听到目标的节点收集目标信息，如声压信息等；单个节点无法完成目标位置估计，为得到目标的三维坐标等信息，在节点得到接收声压测量值后，在融合中心数据收集阶段，节点将声压信息汇聚至融合中心；在目标状态估计阶段，融合中心根据接收到的声压信息，估计目标的位置等信息，并预测下一检测时刻目标位置，选择距离目标最近的节点成为下一检测时刻的融合中心；在数据多跳转发阶段，融合中心将包含目标状态信息的数据包发送至汇聚节点，再由汇聚节点通过射频方式转发至监控中心。

水下目标检测具有实时性需求，监控中心需要即时了解目标状态，因此，数据包的端到端传输时延应尽可能小。

发明内容

本发明的目的是针对现有水声传感网络MAC协议不适用水下目标检测应用场景，提供一种面向水下目标检测的水声传感网络媒体接入控制方法，降低数据包端到端传输时延，满足水下目标检测的实时性需求。

本发明首先由融合中心调度探测到目标的节点的数据包传输，之后采用并行信道预约的方式，将数据包由融合中心转发至汇聚节点，降低数据包端到端传输时延。

本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤(1).融合中心选择：

侦听到目标的节点首先随机选择一个时刻广播COMPETE包，COMPETE包中包含接收到目标辐射噪声强度；节点接收其它节点的COMPETE包，若其它节点的目标辐射噪声强度更大，即离目标更近，则节点退出融合中心竞争；为避免由于COMPETE包传输冲突而导致多个节点未退出融合中心竞争的情况，未退出的节点随机选择一个时刻再次广播COMPETE包；最终目标辐射噪声强度最大的节点成为新的融合中心；所述的COMPETE包为竞争包。

步骤(2).融合中心数据包调度：

当水声传感节点收集到目标状态信息后，融合中心选择与自己距离最近的三个节点A、B和C，融合中心根据与这三个节点之间的传播时延，计算接收各节点DATA包前的等待时间T_{wtr_DATA,A}、T_{wtr_DATA,B}和T_{wtr_DATA,C}，之后融合中心广播ORDER包，ORDER包包含接收节点DATA包前的等待时间；若检测到目标的节点数目少于4个，无法完成目标位置估计，则不进行数据收集，跳过该检测周期；所述的DATA包为数据包，ORDER包为顺序包。

步骤(3).融合中心数据包收集：

水声传感节点A、B和C接收到ORDER包后，根据融合中心接收DATA包前的等待时间，计算发送DATA包的等待时间T_{w_DATA,A}、T_{w_DATA,B}和T_{w_DATA,C}；水声传感节点等待相应时间后，向融合中心发送DATA包，完成数据传输。

步骤(4).目标状态估计：

融合中心完成数据包收集后，估计目标的位置等信息，并预测下一检测时刻目标位置，选择距离目标最近的节点成为下一检测时刻的融合中心。

步骤(5).节点信道预约：

融合中心完成目标状态估计后，通过多跳节点将包含目标状态的数据包转发至汇聚节点，融合中心首先向下一跳节点发送RTS包进行信道预约；所述的RTS包为请求发送包。

步骤(6).节点预约响应：

水声传感节点接收到RTS包后，向上一跳节点反馈CTS包，之后计算发送RTS包前的等待时间，等待时间T_{wts_RTS,i}后，向下一跳节点发送RTS包进行信道预约；所述的CTS包为允许发送包。

步骤(7).数据包传输：

传感节点接收到CTS包后，计算发送DATA包前的等待时间，等待一段时间T_{wts_DATA,i}后，向下一跳节点发送DATA包。

步骤(8).数据包转发：

传感节点接收到DATA包后，在接收到下一跳节点的CTS包后，计算发送DATA包前的等待时间，等待一段时间T_{wts_DATA,i}后，向下一跳节点转发DATA包；若传感节点未接收到CTS包，即节点信道预约失败，则在接收到DATA包后，重新发送RTS包进行信道预约。

步骤(9).循环转发：

后续节点若接收到RTS包，则执行步骤(6)，若接收到CTS包，则执行步骤(7)，若接收到DATA包，则执行步骤(8)，直到数据包转发至汇聚节点。

与其它水声传感网络MAC协议相比，本发明的优点体现在：

1、传感节点收集目标状态信息后，将数据包汇聚至融合中心过程中，多个节点的数据包会在汇聚中心处产生冲突，从而导致数据包端到端传输时间增加；本发明由融合中心调度收集到目标状态的节点的数据包传输，可有效避免节点数据包传输冲突。

2、现有的基于竞争的MAC协议在接收到上一跳节点数据包之后，再向下一跳节点发送控制包进行信道预约，由于在水声环境中节点间传播时延较长，节点信道预约时间较长，因此，这种传输方式的节点数据包端到端传输时延较长；本发明采用并行信道预约方式，节点与上一跳节点信道预约成功后，在接收数据包之前，向下一跳节点进行信道预约，当节点成功接收上一跳节点数据包后，立即向下一跳节点转发数据包，能够减少数据包传输的总时间，提高目标检测准确度。

附图说明

图1为水下目标检测网络模型；

图2为探测到目标的节点分布图；

图3为数据包传输路径；

图4为协议执行过程。

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。

具体通过以下步骤实现：

步骤(1)融合中心选择

侦听到目标的节点首先随机选择一个时刻广播COMPETE包，COMPETE包中包含接收到目标辐射噪声强度。节点接收其它节点的COMPETE包，若其它节点的目标辐射噪声强度更大，即离目标更近，则节点退出融合中心竞争。为避免由于COMPETE包传输冲突而导致多个节点未退出融合中心竞争的情况，未退出的节点随机选择一个时刻再次广播COMPETE包。最终目标辐射噪声强度最大的节点成为新的融合中心。

步骤(2)融合中心数据包调度

如图2所示，当水声传感节点收集到目标状态信息后，融合中心G选择与自己距离最近的三个节点A，B，C进行数据收集，假设融合中心选择的三个节点为A、B、C，融合中心G与三个节点的传播时延分别为τ_G,A，τ_G,B，τ_G,C，不妨假设τ_G,A<τ_G,B<τ_G,C。融合中心根据与这三个节点之间的传播时延，计算接收A,B,C三个节点DATA包前的等待时间T_{wtr_DATA,A}，T_{wtr_DATA,B}和T_{wtr_DATA,C}，其中T_{wtr_DATA,A＝}2τ_G,A+θ，T_{wtr_DATA,B}＝max(T_{wtr_DATA,A}+δ+T_guard，2τ_G,B+θ+T_guard)，T_{wtr_DATA,C}＝max(T_{wtr_DATA,B}+δ+T_guard，2τ_G,C+θ+T_guard)，其中θ为控制包传输时长，δ为一个数据包的传输时长，T_guard为保护时长，之后，融合中心G广播ORDER包，ORDER包包含接收节点DATA包前的等待时间；若检测到目标的节点数目少于4个，无法完成目标位置估计，则不进行数据收集，跳过该检测周期；

步骤(3)融合中心数据收集：

水声传感节点A，B和C接收到ORDER包后，根据融合中心G接收DATA包前的等待时间T_{w_DATA,A}，T_{w_DATA,B}和T_{w_DATA,C}，计算发送DATA包的等待时间T_{w_DATA,A}＝0，T_{w_DATA,B}＝T_{wtr_DATA,B}-2τ_G,B-θ和T_{w_DATA,C}＝T_{wtr_DATA,C}-2τ_G,C-θ。水声传感节点A，B和C等待相应时间后，向融合中心G发送DATA包，完成数据传输；

步骤(4)目标状态估计

融合中心完成数据包收集后，估计目标的位置等信息，并预测下一检测时刻目标位置，选择距离目标最近的节点成为下一检测时刻的融合中心；

步骤(5)节点信道预约：

融合中心完成目标状态估计后，如图3所示，通过节点H，I，J将包含目标状态的数据包转发至汇聚节点。如图4所示，融合中心G首先向下一跳节点H发送RTS包进行信道预约；

步骤(6)节点预约响应

水声传感节点H接收到RTS包后，向上一跳节点G反馈CTS包，之后计算发送RTS包前的等待时间，T_{wts_RTS,H}＝max(2τ_max-2τ_G,H+δ-θ,2τ_max-θ)，其中τ_G,H为节点G与节点H之间的传播时延，τ_max为节点间最大传播时延，等待一段时间后，水声传感节点H向下一跳节点I发送RTS包进行信道预约；

步骤(7)数据包传输

传感节点G接收到CTS包后，计算发送DATA包前的等待时间，等待一段时间T_{wts_DATA,G}＝2τ_max-2τ_G,H之后，向下一跳节点H发送DATA包；

步骤(8)数据包转发

传感节点H接收到DATA包后，在接收到下一跳节点I发送的CTS包后，等待一段时间T_{wts_DATA,H}＝2τ_max-2τ_H,I，向下一跳节点I转发DATA包；若传感节点未接收到节点I发送的CTS包，即节点信道预约失败，则在接收到节点G的DATA包后，重新向节点I发送RTS包进行信道预约；

步骤(9)循环转发

后续节点I,J若接收到RTS包，则执行步骤(6)，若接收到CTS包，则执行步骤(7)，若接收到DATA包，则执行步骤(8)，直到数据包转发至汇聚节点。

Claims (1)

1.一种面向目标检测任务的水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1).融合中心选择：

侦听到目标的节点首先随机选择一个时刻广播COMPETE包，COMPETE包中包含接收到目标辐射噪声强度；节点接收其它节点的COMPETE包，若其它节点的目标辐射噪声强度更大，即离目标更近，则节点退出融合中心竞争；未退出的节点随机选择一个时刻再次广播COMPETE包；最终目标辐射噪声强度最大的节点成为新的融合中心；所述的COMPETE包为竞争包；

步骤(2).融合中心数据包调度：

当水声传感节点收集到目标状态信息后，融合中心选择与自己距离最近的三个节点A、B和C，融合中心根据与这三个节点之间的传播时延，计算接收各节点DATA包前的等待时间T_{wtr_DATA,A}、T_{wtr_DATA,B}和T_{wtr_DATA,C}，之后融合中心广播ORDER包，ORDER包包含接收节点DATA包前的等待时间；若检测到目标的节点数目少于4个，无法完成目标位置估计，则不进行数据收集，跳过该检测周期；所述的DATA包为数据包，ORDER包为顺序包；

计算接收各节点DATA包前的等待时间具体是：按照融合中心与各水声传感节点传播时延递增的顺序，融合中心计算接收A、B、C三个节点DATA包前的等待时间T_{wtr_DATA,A}，T_{wtr_DATA,B}和T_{wtr_DATA,C}；

T_{wtr_DATA,A}＝2τ_G,A+θ；

T_{wtr_DATA,B}＝max(T_{wtr_DATA,A}+δ+T_guard，2τ_G,B+θ+T_guard)；

T_{wtr_DATA,C}＝max(T_{wtr_DATA,B}+δ+T_guard，2τ_G,C+θ+T_guard)；

其中τ_G,A、τ_G,B、τ_G,C为融合中心与节点A、B、C之间的传播时延，θ为控制包传输时长，δ为一个数据包的传输时长，T_guard为保护时长；

步骤(3).融合中心数据包收集：

水声传感节点A、B和C接收到ORDER包后，根据融合中心接收DATA包前的等待时间，计算发送DATA包的等待时间T_{w_DATA,A}、T_{w_DATA,B}和T_{w_DATA,C}；水声传感节点等待相应时间后，向融合中心发送DATA包，完成数据传输；

计算发送DATA包的等待时间方法是：

T_{w_DATA,A}＝0；

T_{w_DATA,B}＝T_{wtr_DATA,B}-2τ_G,B-θ；

T_{w_DATA,C}＝T_{wtr_DATA,C}-2τ_G,C-θ；

其中τ_G,A、τ_G,B、τ_G,C为融合中心与节点A、B、C之间的传播时延，θ为控制包传输时长；

步骤(4).目标状态估计：

融合中心完成数据包收集后，估计目标的位置信息，并预测下一检测时刻目标位置，选择距离目标最近的节点成为下一检测时刻的融合中心；

步骤(5).节点信道预约：

融合中心完成目标状态估计后，通过多跳节点将包含目标状态的数据包转发至汇聚节点，融合中心首先向下一跳节点发送RTS包进行信道预约；所述的RTS包为请求发送包；

步骤(6).节点预约响应：

水声传感节点接收到RTS包后，向上一跳节点反馈CTS包，之后计算发送RTS包前的等待时间，等待时间T_{wts_RTS,i}后，向下一跳节点发送RTS包进行信道预约；所述的CTS包为允许发送包；

计算发送RTS包前的等待时间方法是：

T_{wts_RTS,i}＝max(2τ_max-2τ_i,j+δ-θ,2τ_max-θ)；其中τ_i,j为节点i与下一跳节点j之间的传播时延，τ_max为节点间最大传播时延，θ为控制包传输时长，δ为一个数据包的传输时长；

步骤(7).数据包传输：

传感节点接收到CTS包后，计算发送DATA包前的等待时间，等待一段时间T_{wts_DATA,i}后，向下一跳节点发送DATA包；

步骤(8).数据包转发：

传感节点接收到DATA包后，在接收到下一跳节点的CTS包后，计算发送DATA包前的等待时间，等待一段时间T_{wts_DATA,i}后，向下一跳节点转发DATA包；若传感节点未接收到CTS包，即节点信道预约失败，则在接收到DATA包后，重新发送RTS包进行信道预约；

步骤(7)和(8)所述的计算发送DATA包前的等待时间的具体方法是：

T_{wts_DATA,i}＝2τ_max-2τ_i,j；其中τ_i,j为节点i与下一跳节点j之间的传播时延，τ_max为节点间最大传播时延；

步骤(9).循环转发：

后续节点若接收到RTS包，则执行步骤(6)，若接收到CTS包，则执行步骤(7)，若接收到DATA包，则执行步骤(8)，直到数据包转发至汇聚节点。

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