CN110769519B - 一种分布式多信道水声网络通信方法 - Google Patents

一种分布式多信道水声网络通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式多信道水声网络通信方法，该方法同时利用多条通信信道和水声信道信息传播时延长的特点来实现数据的并行传输，在某些通信信道中采用经过优化的时分复用方法发送握手信令，在另一些通信信道中采用优化的发送时间来并行发送数据，两者以流水线的方式并行进行。与现有技术相比，本发明充分地利用了多信道和水声信道信息传播时延长的特点进行并行传输，无需中心节点控制，可以在分布式的网络中完全消除传输冲突的同时减少握手带来的开销，有效地提高了水声网络的通信效率。本发明可以广泛应用于分布式的水声通信网、水声传感网等场合。

Description

一种分布式多信道水声网络通信方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种分布式多信道水声网络通信方法。
背景技术
水声网络是水下通信研究的重要课题之一，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。水声信道的频带窄、干扰强、时延长、能量受限等特点，使得控制节点共享信道方式的媒体接入控制(MediumAccess Control，MAC)技术成为影响水声通信网络性能的关键因素。
在目前的水声网络中，MAC协议大致可以分为非竞争式、竞争式和混合式三种，但由于水声信道可用的频带很窄，水下点对点声通信的速率受到很大限制，因此现有水声网络的通信能力通常不强。在点对点通信速率有限的情况下，增加节点间通信的并行度无疑是提高网络通信性能的有效途径之一。但传统的水声网络MAC协议大多参照陆上无线网络的MAC协议来设计，因此较少考虑和利用到水声信道特性带来的水下并行通信机会，导致所组建的水声网络通信性能不佳。近年的研究发现，可以利用水声信道信息传播时延长的特点来实现节点间的并行通信，从而提高水声网络的通信性能。
针对分布式竞争信道水声网络，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，上述方法利用水声信道信息传播时延长的特点，通过合理规划节点的发送时间来实现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。上述方法均能利用水声信道时延长的特点来实现并行通信，有效提高现有基于握手的水下竞争MAC协议的性能，但这些方法在数据传输中还存在着冲突，影响了节点通信的效率。为了解决冲突问题，中国发明专利201710934736.X提供了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。但该方法的缺点是握手时间耗时长，并且握手时间随着节点数的增加而增加，在规模较大的网络中性能不佳。
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，提供一种分布式多信道水声网络通信方法，该方法同时利用多条通信信道和水声信道信息传播时延长的特点来实现数据的并行传输，在某些通信信道中采用经过优化的时分复用方法发送握手信令，在另一些通信信道中采用优化的发送时间来并行发送数据，两者以流水线的方式并行进行。与现有技术相比，本发明充分地利用了多信道和水声信道信息传播时延长的特点进行并行传输，无需中心节点控制，可以在分布式的网络中完全消除传输冲突的同时减少握手带来的开销，有效地提高了水声网络的通信效率。本发明可以广泛应用于分布式的水声通信网、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：
一种分布式多信道水声网络通信方法，应用于具有N条可以独立接收和发送数据的并行通信信道的水声网络时，网络中节点的通信由周期重复的超级步构成，将一个传输周期分为握手阶段和数据传输阶段，则第t个超级步包含并行进行的第t个传输周期的握手阶段与第t-1个传输周期的数据传输阶段，具体采用以下步骤来完成：
步骤S1、将N条并行的通信信道分为两部分，一部分为传输信令的信令信道，另一部分为传输数据的数据信道，列出所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式，计算所有组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙，并初始化t＝1。
步骤S2、第t个超级步中，将N条通信信道都作为信令信道，每个节点按步骤S1计算的结果确定所有节点在第t个传输周期的握手阶段中使用的信令信道及RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令。每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，并计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步。此时如果第t-1个传输周期中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3。
步骤S3、第t个超级步中，所有节点采用相同的非随机算法，将N条通信信道划分为两部分，一部分为信令信道，用于第t个传输周期的握手，另一部分为数据信道，用于传输第t-1个传输周期的数据，并计算所有节点在第t个传输周期握手时使用的信令信道及相应的RTS时隙和CTS时隙，同时计算所有源节点在第t-1个传输周期中所使用的数据信道以及可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻。
步骤S4、每个第t-1个传输周期中的源节点计时至步骤S3中计算得到的本节点的数据发送时刻，通过自己的数据信道向相应目的节点发送数据，相应的目的节点通过数据信道接收数据。与此同时，需在第t个传输周期发送信息的节点在步骤S3确定的自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在步骤S3确定的自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令，每个节点通过信令信道侦听并记录所有成功握手的通信请求。所有节点计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步。此时如果第t-1个超级步中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3。
进一步地，上述步骤S1中，采用以下方法计算所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙：
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定每个节点所使用的信道的方法为：按照节点间的距离或传播时延对所有节点进行无监督聚类，将所有节点分为
Figure BDA0002229254610000041
类，每类对应于一条信令信道，其中
Figure BDA0002229254610000042
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下信令信道的数目。
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，以当前超级步开始的时间为0时刻，采用以下方法计算分配到第n条信令信道的所有节点的RTS和CTS时隙：
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的RTS时隙为
Figure BDA0002229254610000043
其中
Figure BDA0002229254610000044
其中
Figure BDA0002229254610000051
为预设的时间，PRTS为RTS信令的传输时长，
Figure BDA0002229254610000052
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下分配到第n条信令信道的节点数目，
Figure BDA0002229254610000053
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送RTS信令的节点发送RTS的时刻，Dn,i,j为第n条信令信道中RTS信令从节点i到节点j的传播时长，
Figure BDA0002229254610000054
为第n条信令信道中预设的保护时间。
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的CTS时隙为
Figure BDA0002229254610000055
其中
Figure BDA0002229254610000056
其中PCTS为CTS信令的传输时间，
Figure BDA0002229254610000057
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送CTS信令的节点发送CTS的时刻。
进一步地，上述步骤S2中，第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定当前握手阶段结束时刻的方法为：首先计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道的所有节点握手的总时长
Figure BDA00022292546100000513
Figure BDA0002229254610000058
其中PCTS为CTS信令的传输时间，
Figure BDA0002229254610000059
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送CTS信令的节点发送CTS的时刻，
Figure BDA00022292546100000510
为预设的时间且
Figure BDA00022292546100000511
则当前握手阶段结束时刻为
Figure BDA00022292546100000512
进一步地，上述步骤S3中，每个节点采用以下方法计算第t个超级步中数据信道和信令信道的分配方式及超级步的时长：
步骤S3.1、列出所有信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式。
步骤S3.2、对步骤S3.1中的第l种信令信道和数据信道的组合方式，列出将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式。
步骤S3.3、计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure BDA0002229254610000061
则第l种信令信道和数据信道的组合方式下第t个超级步的时长为
Figure BDA0002229254610000062
其中
Figure BDA0002229254610000063
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下将所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式总数。
步骤S3.4、第t个超级步中最优信令信道和数据信道的组合方式序号为
Figure BDA0002229254610000064
其中L为信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式的总数。第t个超级步的时长为
T＝min(Tl),1≤l≤L。
上述步骤S3.3中，每个节点采用以下方法计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure BDA0002229254610000065
步骤S3.3.1、以本超级步开始的时间为0时刻，计算分配到第n条数据信道的所有源节点的数据包发送时刻：
Figure BDA0002229254610000071
其中
Figure BDA0002229254610000072
为预设的时间，
Figure BDA0002229254610000073
为第i个发送数据的源节点数据包发送的时刻，sl,m,n,i和dl,m,n,i分别为第i个发送数据的源节点和相应的目的节点，
Figure BDA0002229254610000074
为数据从sl,m,n,i传输到dl,m,n,j的传播时延，Pd为发送数据包的持续时长,
Figure BDA0002229254610000075
为第n条数据信道中预设的保护时间，
Figure BDA0002229254610000076
为分配到第n条数据信道的节点数目。
步骤S3.3.2、计算第n条数据信道的所有源节点传输数据的总时长
Figure BDA0002229254610000077
为
Figure BDA0002229254610000078
其中
Figure BDA0002229254610000079
为预设的时间且
Figure BDA00022292546100000710
步骤S3.3.3、采用下式计算
Figure BDA00022292546100000711
Figure BDA00022292546100000712
其中
Figure BDA00022292546100000713
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下数据信道的数目。
上述分布式多信道水声网络通信方法，将一个传输周期划分为握手阶段、数据传输阶段和ACK/NACK阶段，则第t个超级步包含并行进行的第t个传输周期的握手阶段、第t-1个传输周期的数据传输阶段和第t-2个传输周期的ACK/NACK阶段，与仅包含握手阶段和数据传输阶段相比，区别在于：
上述步骤S1中，若第t-1个超级步中包含第t-2个传输周期的数据传输阶段，则第t-2个传输周期的目的节点在第t个超级步中的第t个传输周期的握手阶段CTS时隙中发送ACK/NACK信令，此时
Figure BDA00022292546100000714
和
Figure BDA00022292546100000715
采用下式计算
Figure BDA0002229254610000081
Figure BDA0002229254610000082
其中PACK为ACK/NACK信令的传输时长。
上述分布式多信道水声网络通信方法，若节点在同一时刻只能利用N条并行通信信道同时进行接收或发送数据，且并行通信信道数目大于2时，其传输周期需包含握手阶段、数据传输阶段和ACK/NACK阶段。
上述步骤S1中，每个节点在(0,TRTS)时间内随机发送RTS信令，其中TRTS为预设的时间。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明中，握手和数据传输采用不同的信道，以流水线的方式进行，能够有效地减少握手产生的开销，提高水声网络的通信性能。
2、本发明采用TDMA的方式来完成节点的握手，可以完全消除数据发送时的冲突，有效地提高了网络的吞吐量。
3、本发明利用水声信道信息传播时延长的特点，对握手和数据发送的时间进行了优化，可以有效地减少握手和数据发送的总时长。
4、本发明可以每个传输周期中动态地分配用于握手和数据传输的信道资源，有效地提高了传输的效率。
5、本发明无需中心节点控制，可以省略掉中心控制信息的发布，有效地减少了通信的开销。
附图说明
图1是本发明实施例一中超级步的时序示意图；
图2是本发明实施例一中公开的一种分布式多信道水声网络通信方法的流程步骤图；
图3是本发明实施例二和实施例三中超级步的时序示意图。
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。
实施例一
本实施例为一个具有6个节点的水声通信网络，各节点均位于水下100米的平面，以节点的水平位置和深度为X、Y、Z轴建立坐标系，以米为单位，节点1～6的坐标分别为(-400，0，100)、(-400，100，100)、(-200，200，100)、(200，200，100)、(400，100，100)、(400，0，100)。每个节点为静态节点且均能监听到其他节点的信号。每个节点配备3个可以独立收发数据的水声调制解调系统，每个水声调制解调系统的通信方式为全方向、半双工，并且具有相同的数据传输速率。一个传输周期包含握手阶段和数据传输阶段，所有节点均采用相同长度的数据包和相同长度的RTS、CTS信令。所有节点具有同步的时钟，每个节点保存一张记录所有节点间传播时延的表，上述传播时延通过计算节点间的距离后除以声速得到，或者通过测量信令中的时间标签与其接收时间之差得到。例如，当声速为1500m/s时，上述节点间的两两传播时延如下表1(单位：秒)：
表1.节点间的两两传播时延表
Figure BDA0002229254610000091
Figure BDA0002229254610000101
上述实施例中，通过以下方法实现分布式多信道水声网络的通信：
网络中节点的通信由周期重复的超级步构成，将一个传输周期分为握手阶段和数据传输阶段，则第t个超级步包含并行进行的第t个传输周期的握手阶段与第t-1个传输周期的数据传输阶段，其时序如图1所示，具体采用以下步骤来完成，流程如图2所示：
步骤S1、将N条并行的通信信道分为两部分，一部分为传输信令的信令信道，另一部分为传输数据的数据信道。列出所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式，计算所有组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙，并初始化t＝1。
针对上述的每种组合方式，采用以下方法计算每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙：
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定每个节点所使用的信道的方法为：按照节点间的距离或传播时延对所有节点进行无监督聚类，将所有节点分为
Figure BDA0002229254610000102
类，每类对应于一条信令信道，其中
Figure BDA0002229254610000103
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下信令信道的数目。
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，以当前超级步开始的时间为0时刻，采用以下方法计算分配到第n条信令信道的所有节点的RTS和CTS时隙：
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的RTS时隙为
Figure BDA0002229254610000104
其中
Figure BDA0002229254610000105
其中
Figure BDA0002229254610000111
为预设的时间，PRTS为RTS信令的传输时长，
Figure BDA0002229254610000112
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下分配到第n条信令信道的节点数目，
Figure BDA0002229254610000113
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送RTS信令的节点发送RTS的时刻，Dn,i,j为第n条信令信道中RTS信令从节点i到节点j的传播时长，
Figure BDA0002229254610000114
为第n条信令信道中预设的保护时间。
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的CTS时隙为
Figure BDA0002229254610000115
其中
Figure BDA0002229254610000116
其中PCTS为CTS信令的传输时间，
Figure BDA0002229254610000117
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送CTS信令的节点发送CTS的时刻。
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定当前握手阶段结束时刻的方法为：首先计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道的所有节点握手的总时长
Figure BDA0002229254610000118
Figure BDA0002229254610000119
其中
Figure BDA00022292546100001110
为预设的时间且
Figure BDA00022292546100001111
则当前握手阶段结束时刻为
Figure BDA00022292546100001112
上述实施例中，每个节点配备3个可以相同数据传输速率、独立收发数据的水声调制解调系统，因此网络具有3个通信信道。由于每个通信信道具有相等的传输速率，因此在将通信信道划分为信令信道和数据信道时仅需考虑3种组合方式：第1种是将信道1～3作为信令信道，第2种是将信道1～2作为信令信道、信道3作为数据信道，第3种是将信道1作为信令信道，信道2～3作为数据信道。其他任意组合方式与这三种组合方式之一等效。
以将信道1～3作为信令信道的情况为例，采用以下方法计算每个节点发送信令所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙：
以节点间的距离或传播时延作为聚类的距离函数，采用无监督聚类将6个节点分为3类，聚类结果分别为节点1和节点2为一类、节点3和节点4为一类、节点5和节点6为一类。将通信信道1分配给节点1和节点2，通信信道2分配给节点3和节点4，通信信道3分配给节点5和节点6，并分别指定节点1、节点3、节点5在各自的通信信道中优先发送RTS和CTS信令。
确定每个节点所使用的信道及发送顺序后，以当前超级步开始的时间为0时刻，设置
Figure BDA0002229254610000121
秒，
Figure BDA0002229254610000122
PRTS＝0.045秒，
Figure BDA0002229254610000123
秒，PCTS＝0.045秒，根据式(1)可以计算得到节点1和节点2发送RTS的时刻分别为0秒和0.122秒，节点3和节点4发送RTS的时刻分别为0秒和0.322秒，节点5和节点6发送RTS的时刻分别为0秒和0.122秒，根据式(2)可以计算得到节点1和节点2发送CTS的时刻分别为0.244秒和0.396秒，节点3和节点4发送CTS的时刻分别为0.644秒和0.966秒，节点5和节点6发送CTS的时刻分别为0.244秒和0.396秒。设置
Figure BDA0002229254610000124
秒，根据式(3)和式(4)，可以计算得到当前握手阶段结束时刻为T1 h＝1.611秒。
采用样的方法可以计算得到其余两种信令信道和数据信道的组合方式中每个节点所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙，其中T2 h＝1.541秒，T3 h＝3.183秒。
步骤S2、第t个超级步中，将N条通信信道都作为信令信道，每个节点按步骤1计算的结果确定所有节点在第t个传输周期的握手阶段中使用的信令信道及RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令。每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，并计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步。此时如果第t-1个传输周期中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3。
上述实施例中，在t＝1或第t-1个传输周期中无节点握手成功时，在第t个超级步中，将所有3条信道都作为信令信道，按步骤S1计算的第1种组合方式的结果设置每个节点所使用的信道和发送RTS、CTS信令的时刻。
步骤S3、第t个超级步中，所有节点采用相同的非随机算法，将N条通信信道划分为两部分，一部分为信令信道，用于第t个传输周期的握手，另一部分为数据信道，用于传输第t-1个传输周期的数据，并计算所有节点在第t个传输周期握手时使用的信令信道及相应的RTS时隙和CTS时隙，同时计算所有源节点在第t-1个传输周期中所使用的数据信道以及可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻。
每个节点采用以下方法计算第t个超级步中数据信道和信令信道的分配方式及超级步的时长：
步骤S3.1、列出所有信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式。
步骤S3.2、对步骤S3.1中的第l种信令信道和数据信道的组合方式，列出将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式。
步骤S3.3、计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure BDA0002229254610000141
则第l种信令信道和数据信道的组合方式下第t个超级步的时长为
Figure BDA0002229254610000142
其中
Figure BDA0002229254610000143
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下将所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式总数。
其中，每个节点采用以下方法计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure BDA0002229254610000144
步骤S3.3.1：以本超级步开始的时间为0时刻，计算分配到第n条数据信道的所有源节点的数据包发送时刻：
Figure BDA0002229254610000145
其中
Figure BDA0002229254610000146
为预设的时间，
Figure BDA0002229254610000147
为第i个发送数据的源节点数据包发送的时刻，sl,m,n,i和dl,m,n,i分别为第i个发送数据的源节点和相应的目的节点，
Figure BDA0002229254610000148
为数据从sl,m,n,i传输到dl,m,n,j的传播时延，Pd为发送数据包的持续时长,
Figure BDA0002229254610000149
为第n条数据信道中预设的保护时间，
Figure BDA00022292546100001410
为分配到第n条数据信道的节点数目。
步骤S3.3.2、计算第n条数据信道的所有源节点传输数据的总时长
Figure BDA00022292546100001411
为
Figure BDA0002229254610000151
其中
Figure BDA0002229254610000152
为预设的时间且
Figure BDA0002229254610000153
步骤S3.3.3、采用下式计算
Figure BDA0002229254610000154
为
Figure BDA0002229254610000155
其中
Figure BDA0002229254610000156
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下数据信道的数目。
步骤S3.4、第t个超级步中最优信令信道和数据信道的组合方式序号为
Figure BDA0002229254610000157
其中L为信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式的总数。第t个超级步的时长为
T＝min(Tl),1≤l≤L (10)
上述实施例中，由于3条通信信道具有相同的传输速率，因此仅需考虑步骤S1中的第2和第3种信令信道和数据信道组合方式，分别是信道1和信道2为信令信道、信道3为数据信道和信道1为信令信道、信道2和信道3为数据信道的情况，其他任意一种组合方式与上述两种组合方式之一等效。
以第t-1个传输周期中节点1和节点2分别要与节点4和节点6通信为例，在第3种信令信道和数据信道的组合方式(即将信道1作为信令信道，信道2～3作为数据信道)中，源节点的分配方案有4种，分别为节点1和节点2均使用信道2、节点1和节点2分别使用信道2和信道3、节点1和节点2均使用信道3、节点1和节点2分别使用信道3和信道2，由于3条通信信道具有相同的传输速率，因此后两种分配方式分别与前两种之一等效，实际中只需考虑前两种分配方式。
上述实施例中，设置Pd＝0.114秒，
Figure BDA0002229254610000161
由式(6)和式(7)可以计算得到，当节点1和节点2均使用信道2时，
Figure BDA0002229254610000162
秒，
Figure BDA0002229254610000163
秒，
Figure BDA0002229254610000164
秒，
Figure BDA0002229254610000165
秒；当节点1和节点2分别使用信道2和信道3时，
Figure BDA0002229254610000166
秒，
Figure BDA0002229254610000167
秒，
Figure BDA0002229254610000168
秒，
Figure BDA0002229254610000169
秒。根据式(8)可以得到
Figure BDA00022292546100001610
秒，
Figure BDA00022292546100001611
秒。步骤S1中计算得到T3 h＝3.183秒，根据式(5)可以计算得到信道1为信令信道、信道2和信道3为数据信道时第t个超级步的时长为T3 d＝3.183秒。
同理可以得到第2种是信道1和信道2为信令信道、信道3为数据信道时第t个超级步的时长T2 d＝0.264秒。
根据式(9)可以得到第t个超级步中最优信令信道和数据信道的组合方式序号为lopt＝2，第t个超级步的时长为T＝0.264秒。
步骤S4、每个第t-1个传输周期中的源节点计时至步骤S3中计算得到的本节点的数据发送时刻，通过自己的数据信道向相应目的节点发送数据，相应的目的节点通过数据信道接收数据。与此同时，需在第t个传输周期发送信息的节点在步骤S3确定的自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在步骤S3确定的自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令，每个节点通过信令信道侦听并记录所有成功握手的通信请求。所有节点计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步。此时如果第t-1个超级步中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3。
实施例二
本实施例中，网络节点的硬件结构与实施例一相同，但一个传输周期包含握手阶段、数据传输阶段和ACK/NACK阶段，则第t个超级步包含并行进行的第t个传输周期的握手阶段、第t-1个传输周期的数据传输阶段和第t-2个传输周期的ACK/NACK阶段，其时序如图3所示。与实施例一的区别在于：上述步骤S1中，若第t-1个超级步中包含第t-2个传输周期的数据传输阶段，则第t-2个传输周期的目的节点在第t个超级步中的第t个传输周期的握手阶段CTS时隙中发送ACK/NACK信令，此时
Figure BDA0002229254610000171
和
Figure BDA0002229254610000172
采用下式计算
Figure BDA0002229254610000173
Figure BDA0002229254610000174
其中PACK为ACK/NACK信令的传输时长。
实施例三
本实施例中，网络节点仅配备1个水声调制解调系统，但采用OFDMA、CDMA或FDMA技术实现多条并行的信道，与实施例一和实施例二不同之处在于，实施例一和实施例二的3个水声调制解调系统可以独立收发数据，而在实施例三中，节点在同一时刻只能利用N条并行通信信道同时进行接收或发送数据。此时实施例三传输周期需同时包含握手阶段、数据传输阶段和ACK/NACK阶段，以保证源节点能在ACK/NACK阶段获取当前传输周期中握手成功的节点信息，确定下一超级步中可以使用的信息信道，其时序如图3所示。
在本发明的另一些实施例中，握手阶段的RTS信令不采用时分复用的方式发送，而是在(0,TRTS)时间内随机发送RTS信令，其中TRTS为预设的时间，以减少轻负载时握手的时长。
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 (9)

1.一种分布式多信道水声网络通信方法，应用于具有N条独立接收和发送数据的并行通信信道的水声网络时，水声网络中节点的通信由周期重复的超级步构成，将一个传输周期分为握手阶段和数据传输阶段，则第t个超级步包含并行进行的第t个传输周期的握手阶段与第t-1个传输周期的数据传输阶段，所述的通信方法包括以下步骤：
S1、将N条并行的通信信道分为两部分，一部分为传输信令的信令信道，另一部分为传输数据的数据信道，列出所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式，计算所有组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙，并初始化t＝1；
S2、第t个超级步中，将N条通信信道都作为信令信道，每个节点按步骤S1计算的结果确定所有节点在第t个传输周期的握手阶段中使用的信令信道及RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令，每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，并计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步，此时如果第t-1个传输周期中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3；
S3、第t个超级步中，所有节点采用相同的非随机算法，将N条通信信道划分为两部分，一部分为信令信道，用于第t个传输周期的握手，另一部分为数据信道，用于传输第t-1个传输周期的数据，并计算所有节点在第t个传输周期握手时使用的信令信道及相应的RTS时隙和CTS时隙，同时计算所有源节点在第t-1个传输周期中所使用的数据信道以及可以无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻；
S4、每个第t-1个传输周期中的源节点计时至步骤S3中计算得到的本节点的数据发送时刻，通过自己的数据信道向相应目的节点发送数据，相应的目的节点通过数据信道接收数据；同时，需在第t个传输周期发送信息的节点在步骤S3确定的自己的信令信道的RTS时隙中发送RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在步骤S3确定的自己的信令信道的CTS时隙中发送CTS信令，每个节点通过信令信道侦听并记录所有成功握手的通信请求，所有节点计时至当前超级步结束，令t＝t+1后进入下一超级步，此时如果第t-1个超级步中无节点握手成功，则转步骤S2，否则转步骤S3。
2.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中，采用以下方法计算所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道：
第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定每个节点所使用的信道的方法为：按照节点间的距离或传播时延对所有节点进行无监督聚类，将所有节点分为
Figure FDA0002229254600000021
类，每类对应于一条信令信道，其中
Figure FDA0002229254600000022
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下信令信道的数目。
3.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中，采用以下方法计算所有信令信道数目大于或等于1的信令信道和数据信道组合方式下每个节点发送信令时所使用的信道及RTS时隙和CTS时隙：
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的RTS时隙为
Figure FDA0002229254600000023
其中
Figure FDA0002229254600000024
其中
Figure FDA0002229254600000025
为预设的时间，PRTS为RTS信令的传输时长，
Figure FDA0002229254600000026
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下分配到第n条信令信道的节点数目，
Figure FDA0002229254600000027
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送RTS信令的节点发送RTS的时刻，Dn,i,j为第n条信令信道中RTS信令从节点i到节点j的传播时长，
Figure FDA0002229254600000031
为第n条信令信道中预设的保护时间；
分配到第n条信令信道的第i个发送信令的节点的CTS时隙为
Figure FDA0002229254600000032
其中
Figure FDA0002229254600000033
其中PCTS为CTS信令的传输时间，
Figure FDA0002229254600000034
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送CTS信令的节点发送CTS的时刻。
4.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S2中，第l种信令信道和数据信道的组合方式下，确定当前握手阶段结束时刻的方法为：首先计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道的所有节点握手的总时长
Figure FDA0002229254600000035
Figure FDA0002229254600000036
其中PCTS为CTS信令的传输时间，
Figure FDA0002229254600000037
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下第n条信令信道中第i个发送CTS信令的节点发送CTS的时刻，
Figure FDA0002229254600000038
为预设的时间且
Figure FDA0002229254600000039
则当前握手阶段结束时刻为
Figure FDA00022292546000000310
5.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S3中，每个节点采用以下方法计算第t个超级步中数据信道和信令信道的分配方式及超级步的时长：
S3.1、列出所有信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式；
S3.2、对步骤S3.1中的第l种信令信道和数据信道的组合方式，列出将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式；
S3.3、计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure FDA0002229254600000041
则第l种信令信道和数据信道的组合方式下第t个超级步的时长为
Figure FDA0002229254600000042
其中
Figure FDA0002229254600000043
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下将所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式总数；
S3.4、第t个超级步中最优信令信道和数据信道的组合方式序号为
Figure FDA0002229254600000044
其中L为信令信道和数据信道数目都大于或等于1的信令信道和数据信道的组合方式的总数，第t个超级步的时长为
T＝min(Tl),1≤l≤L。
6.根据权利要求5所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S3.3中，每个节点采用以下方法计算第l种信令信道和数据信道的组合方式下第m种将t-1个传输周期中所有源节点分配给当前可用的数据信道的排列方式中所有源节点完成数据传输所需的时间
Figure FDA0002229254600000045
S3.3.1、以本超级步开始的时间为0时刻，计算分配到第n条数据信道的所有源节点的数据包发送时刻：
Figure FDA0002229254600000046
其中
Figure FDA0002229254600000047
为预设的时间，
Figure FDA0002229254600000048
为第i个发送数据的源节点数据包发送的时刻，sl,m,n,i和dl,m,n,i分别为第i个发送数据的源节点和相应的目的节点，
Figure FDA0002229254600000051
为数据从sl,m,n,i传输到dl,m,n,j的传播时延，Pd为发送数据包的持续时长，
Figure FDA0002229254600000052
为第n条数据信道中预设的保护时间，
Figure FDA0002229254600000053
为分配到第n条数据信道的节点数目；
S3.3.2、计算第n条数据信道的所有源节点传输数据的总时长
Figure FDA0002229254600000054
为
Figure FDA0002229254600000055
其中
Figure FDA0002229254600000056
为预设的时间且
Figure FDA0002229254600000057
S3.3.3、采用下式计算
Figure FDA0002229254600000058
Figure FDA0002229254600000059
其中
Figure FDA00022292546000000510
为第l种信令信道和数据信道的组合方式下数据信道的数目。
7.根据权利要求6所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中，若第t-1个超级步中包含第t-2个传输周期的数据传输阶段，则第t-2个传输周期的目的节点在第t个超级步中的第t个传输周期的握手阶段CTS时隙中发送ACK/NACK信令，此时
Figure FDA00022292546000000511
和
Figure FDA00022292546000000512
采用下式计算
Figure FDA00022292546000000513
Figure FDA00022292546000000514
其中PACK为ACK/NACK信令的传输时长。
8.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的通信方法中，若节点在同一时刻只能利用N条并行通信信道同时进行接收或发送数据，且并行通信信道数目大于2时，其传输周期需包含握手阶段、数据传输阶段和ACK/NACK阶段。
9.根据权利要求1所述的一种分布式多信道水声网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S1中，每个节点在(0,TRTS)时间内随机发送RTS信令，其中TRTS为预设的时间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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