CN111404617B - 应用于水下声通信网络的通信方法 - Google Patents
应用于水下声通信网络的通信方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于水下声通信网络的通信方法，涉及水声通信技术领域。方法包含如下步骤：网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；保留两级相邻节点表，通过向邻近节点发送询问广播的方式，排除空节点，简化网络节点结构；发送数据先判断数据中是否包含路径信息，没有则先建立传送路径；通过RTS‑CTS握手过程完成数据传送；当目标节点不在相邻节点表范围时，通过询问边缘节点方式增加下两级相邻节点表；通信节点在每次通信完成后保留激活时间窗口，在激活时间内，无须唤醒信号，节点可进行数据发送；目标节点接收数据，在收到RTS信息后，侦听信道状态，在判断信道未被占用的情况下发送CTS信息，随后接收数据，成功后发送ACK信息；定期更新相邻节点表。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种应用于水下声通信网络的通信方法。
背景技术
水声通信网是由布放在海底、海中的传感器节点(包括固定的传感器节点和装载传感器的移动平台)和海面浮标节点以及它们之间的单/双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下节点以中继方式回传到陆基或船基的信息控制中心的综合系统。
水声通信信道特性复杂，存在多径、衰减、声速低、带宽小等问题。
多径问题：声波在传播过程中会有很多的反射、衍射、折射等。信号从发射端发出后，会通过很多条路径到达接收端，造成码间干扰(ISI)，通常多径特性是时变的，进一步增加了通讯的困难。
衰减问题：声波在水下传输过程中的能量衰减主要包括扩散和吸收。扩散是指随着声波的传播，波面越来越大，能量越来越分散。吸收是指声波传播路径中，介质的阻尼效应对能量的耗散。如果水质混浊，还存在严重的散射问题。衰减问题限制了声波的传输距离，从而限制了声学通信距离。
声速问题：相比电磁波，声波在水下的传播速度很慢，因此通信节点间会有极大的延迟，增加通信碰撞的概率，降低了通信的可靠性，同时也限制了水下网络的吞吐量。
带宽小：由于换能器带宽有限以及高频信号衰减速度快，适合水下声学通信的可用带宽较窄，一般不会超过20kHz，所以声学通信数据率一般也较低，通常在10kbps以内，低数据率会延长信道的占用时间、造成通信的延迟。
为了协调多个节点间的通信，需要水下网络协议的支持，现有的无线网络协议(如IEEE 802.11)没有考虑水声通信上述的特点，如果直接应用于水声通信网络，无法保证通信质量。如电磁波构建的相邻节点表完整、更新频率高，水下声通信速度慢，更新起来时间长，且耗费大量的能量。
由于很多水下通信节点通常由电池供电，布防成本较高，充电成本昂贵，对功耗要求比较苛刻，所以水下声通信网络使用的通信方法须在保证吞吐量的同时兼顾功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于水下声通信网络的通信方法，解决现有无线网络协议无法保证水下通信质量的问题，同时在保证吞吐量的同时最大限度的降低声通信网络系统的功耗。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种应用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于包含如下步骤：
S1：网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；保留两级相邻节点表，通过向邻近节点发送询问广播的方式，排除空节点，简化网络节点结构；
S2：发送数据给特定节点，先判断数据中是否包含路径信息，如果没有，先建立传送路径；通过RTS-CTS握手过程完成数据传送；当目标节点不在相邻节点表范围时，通过询问边缘节点方式增加下两级相邻节点表；通信节点在每次通信完成后保留激活时间窗口，在激活时间内，无需唤醒信号，节点可进行数据发送；
S3：目标节点接收数据，在收到RTS信息后，侦听信道状态，在判断信道未被占用的情况下发送CTS信息，随后接收数据，成功后发送ACK信息；
S4：定期更新相邻节点表，更新信道质量、相邻节点地址以及节点间距离数据，更新自身相邻节点表信息。
更进一步的技术方案是所述步骤S1的具体操作过程如下：
S1-1：布放节点时,新节点收到控制台的初始化指令后发送询问临近节点广播，临近节点接收RTS请求；
S1-2：节点若收到RTS请求，则进入S1-3；节点若未收到RTS请求，则进入是否超时判定，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-3：节点检测信道是否空闲，是，发送CTS信息；否，延迟特定时间(通信机最远通信距离/水中声速+通信机内部固定延时)后进入S1-2；
S1-4：判断节点是否在规定时间内收到相邻节点信息，是，则进入S1-5，否，进入S1-6；
S1-5：向发送节点信息的相邻节点发送ACK；
S1-6：新节点判断初始化操作是否超时(一般设置位3分钟，时间越长，新节点获取的初始化信息越充分)，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-7：新节点检查其相邻节点表信息是否为空，是，则向布放控制台发送错误信息，排除此相邻节点，否，则进入S1-8；
S1-8：固定时间内未收到信息，节点进入休眠。
更进一步的技术方案是所述步骤S2中数据发送的具体操作过程如下：
S2-1：节点有数据要发送时，判断数据是否包含路径信息，如果是，则进入S2-4，否则进入S2-2；
S2-2：判断目标节点是否在相邻节点表范围内，如果是，则进入S2-3；否，则向边缘节点获取相邻节点扩展下两级相邻节点表，再进入S2-2；
S2-3：计算最优路径；
S2-4：判断路径中下一个节点距离上次通信时间是否超过激活时间，若否，则直接进入 S2-5；是，则发送下一个节点的唤醒信号后，进入S2-5；
S2-5：向下一个节点发送RTS请求，并记录发送时间；
S2-6：判断是否收到CTS信号，如果是，进入S2-7，否，则进入S2-61；
S2-61：进入超时判断，是，则进入S2-62，否，则进入S2-6；
S2-62：判断RTS请求数是否超限，如果是，记录通信失败节点并进入S2-63，否，则随机延迟一端时间后进入S2-5；
S2-63：判断是否还有其它路径，如果是，则进入S2-3，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠；
S2-7：记录接收时间并更新节点距离、信道质量，然后向下一个节点发送数据；
S2-8：如果在特定时间内未收到下一个节点的ACK信号，则进入S2-62，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠。
更进一步的技术方案是所述步骤S3的具体操作过程如下：
S3-1：节点收到RTS信息；
S3-2：侦听信道状态：
S3-3：判断信道是否被占用，是，则进入S3-6；否，则发送CTS信号；
S3-4：判断接收是否成功，是，则进入S3-5，否，则进入S3-6；
S3-5：向发送数据的节点发送ACK应答信号；
S3-6：固定时间内未收到信息则进入休眠。
更进一步的技术方案是所述步骤S4的具体操作流程如下：
S4-1：节点收到更新相邻节点表的广播。
S4-2：节点记录接收时间并随机延迟一定时间后发送RTS请求。
S4-3：判断是否收到广播节点发送的CTS，是，则进入S4-4，否，则进入是否超时判断。未超时则进入S4-3，已超时则判断RTS尝试次数(7次)是否超限，未超限则进入S4-2，超限则进入S4-7。
S4-4：根据RTS-CTS时间间隔，计算发送广播节点与本节点的距离，然后向广播的节点发送数据，包括信道质量、临近节点地址以及与广播节点的距离。信道质量有多种统计方法，本案根据接收机均衡器系数的绝对值之和来标识，通常值越大，说明信道质量越差。
S4-5：判断收到广播的节点是否收到ACK，是，则进入S4-6，否，则进入是否超时判断。未超时则再次进入S4-5，已超时则进入S4-7。
S4-6：更新自身相邻节点表信息。
S4-7：固定时间内未收到信息则进入休眠。
更进一步的技术方案是所述步骤S4中所述的超时对应的时限t＝(2*通信机最远通信距离 /声速)+通信节点内部的固定延时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.节点初始化时，存储两级相邻节点表，更多级的相邻节点信息在需要时进行更新，方便相邻节点表的建立，极大节约了网络初始化时间，同时降低了大规模网络初始化造成的能耗。
2.数据传送时采用virtualcircuit-datagram组合的路由形式，保证了整体的路径优化；当出现节点失效时，及时剔除失效节点，重新规划路径，提高了网络的灵活性和可靠性。
3.节点在通信后保留激活时间窗口，在激活时间窗口内，则无须发送唤醒信号。在频繁通信场合下，大大降低能耗，缩短通信时间。
4.定期更新节点距离信息、信道质量信息，使网络协议能适应动态应用。当网络需要适应动态应用时，每个节点每隔固定时间便会发送更新节点广播，它的相邻节点在接收到广播后就会按照特定的方式作出应答，广播节点据此收集临近节点信息。
5.采用改进的RTS-CTS机制，使得能根据RTS-CTS过程正确计算两个通信节点间的距离。
6.每次通信都更新两个通信节点的相对位置及信道信息，有利于优化路径的决策。
7.采用相对距离以及信道质量组合的形式规划路径，比单纯按照距离来规划更可靠。
附图说明
图1为本发明中节点初始化流程图。
图2为本发明中向特定节点发送数据流程图。
图3为本发明中数据接收流程图。
图4为本发明中定期更新相邻节点表时，接收更新广播的节点的操作流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种应用于水下声通信网络的通信方法，包含如下步骤：
S1：网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；保留两级相邻节点表，通过向邻近节点发送询问广播的方式，排除空节点，简化网络节点结构。
S2：发送数据给特定节点，首先判断数据是否包含路径信息，若不包含，先建立传送路径，当目标节点不在相邻节点表范围时，通过询问边缘节点方式增加下两级相邻节点表，直道获取目标节点信息，并进行整体传送路径的优化；通过RTS-CTS握手过程完成数据传送；同时，刚通信完成的节点保留激活时间窗口，在激活时间内，无须唤醒信号，节点可直接再次接收数据。
S3：目标节点接收数据，在收到RTS信息后，侦听信道状态，在判断信道未被占用的情况下发送CTS信息，随后接收数据，成功后发送ACK信息。
S4：定期更新相邻节点表，更新信道质量、相邻节点地址以及节点间距离数据，更新自身相邻节点表信息。
其中步骤S1的具体操作过程如下，如图1所示：
S1-1：布放节点时,新节点收到控制台的初始化指令后发送询问临近节点广播，临近节点接收RTS请求；
S1-2：节点若收到RTS请求，则进入S1-3；节点若未收到RTS请求，则进入是否超时判定，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-3：节点检测信道是否空闲，是，发送CTS信息；否，则延迟特定时间(通信机最远通信距离/水中声速+通信机内部固定延时)后进入S1-2；
S1-4：判断节点是否在规定时间内收到相邻节点信息，是，则进入S1-5，否，进入S1-6；
S1-5：发送向发送节点信息的相邻节点发送ACK；
S1-6：新节点判断初始化操作是否超时(一般设置位3分钟，时间越长，新节点获取的初始化信息越充分)，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-7：新节点检查其相邻节点表信息是否为空，是，则向布放控制台发送错误信息，排除此相邻节点，否，则进入S1-8；
S1-8：固定时间内未收到信息，节点进入休眠。
节点初始化时，存储两级相邻节点表，其它节点信息在需要时进行更新，方便相邻节点表的建立，极大节约了网络初始化时间，同时降低了能耗。
如图2所示，步骤S2的中数据发送的具体操作过程如下：
S2-1：节点有数据要发送时，判断数据是否包含路径信息,如果是,则进入S2-4,否则进入S2-2；
S2-2：判断目标节点是否在相邻节点表范围内,如果是则进入S2-3,否则向边缘节点获取相邻节点扩展下两级相邻节点表，再进入S2-2；
S2-3：计算最优路径；最优路径的选择根据路径上各节点间距离Dij和信道质量Qij确定，节点间距离通过初始化、数据传输以及定期信息更新过程中依据RTS-CTS时间间隔计算，信道质量根据通信机均衡器系数的绝对值之和计算。路径距离R按照如下公式计算：
R＝∑0.5×Dij+0.5×Qij
R值越大，说明路径越差，优化时选择R值最小的路径。
S2-4：判断路径中下一个节点距离上次通信时间是否超过激活时间，若否，则直接进入 S2-5；是，则发送下一个节点的唤醒信号后，进入S2-5；
S2-5：向下一个节点发送RTS请求，并记录发送时间；
S2-6：判断是否收到CTS信号，如果是，进入S2-7，否，则进入S2-61；
S2-61：进入超时判断，是，则进入S2-62，否，则进入S2-6；
S2-62：判断RTS请求数是否超限，如果是，记录通信失败节点并进入S2-63，否则随机延迟一端时间后进入S2-5；
S2-63：判断是否还有其它路径，如果是，则进入S2-3，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠；
S2-7：记录接收时间并更新节点距离、信道质量，然后向下一个节点发送数据；
S2-8：如果在特定时间内未收到下一个节点的ACK信号，则进入S2-62，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠。
数据传送时采用virtualcircuit-datagram组合的路由形式，保证了整体的路径优化；当出现节点失效时，剔除失效节点，重新规划路径，提高了网络的灵活性和可靠性。
节点在通信后保留激活时间窗口，在激活时间窗口内，则无须发送唤醒信号。根据具体的应用场景，设置合适的时间窗口，可以在通信延迟和节点功耗上取得最佳的平衡。
如图3所示，所述步骤S3的具体操作过程如下：
S3-1：节点收到RTS信息；
S3-2：侦听信道状态：
S3-3：判断信道是否被占用，是，则进入S3-6；否，则发送CTS信号；
S3-4：判断接收是否成功，是，则进入S3-5，否，则进入S3-6；
S3-5：向发送数据的节点发送ACK应答信号；
S3-6：固定时间内未收到信息则进入休眠。
如图4所示，所述步骤S4的具体操作流程如下：
S4-1：节点收到更新相邻节点表的广播。
S4-2：节点记录接收时间并随机延迟一定时间后发送RTS请求。
S4-3：判断是否收到广播节点发送的CTS，是，则进入S4-4，否，则进入是否超时判断(时限为2×通信机最远通信距离/水中声速+通信机内部固定延时)。未超时则进入S4-3，已超时则判断RTS尝试次数(7次)是否超限，未超限则进入S4-2，超限则进入S4-7。
S4-4：根据RTS-CTS时间间隔，计算发送广播节点与本节点的距离，然后向广播的节点发送数据，包括信道质量、临近节点地址以及与广播节点的距离。信道质量有多种统计方法，本案根据接收机均衡器系数的绝对值之和来标识，通常值越大，说明信道质量越差。
S4-5：判断收到广播的节点是否收到ACK，是，则进入S4-6，否，则进入是否超时判断 (时限为2×通信机最远通信距离/水中声速+通信机内部固定延时)。未超时则再次进入S4-5，已超时则进入S4-7。
S4-6：更新自身相邻节点表信息。
S4-7：固定时间内未收到信息则进入休眠。
定期更新节点距离信息、信道质量信息，使网络协议能适应动态应用。例如AUV等活动节点，位置是不固定的，如果要传输特定的指令或深度、速度等信息，需要适时更新相邻节点信息用于规划最优路径。更新节点的周期依据节点以及邻近节点的特性设置，当节点自身以及邻近节点很少移动时，更新周期可以设得很长，反之应设置较短的更新周期。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的范围内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件或布局进行多种变形和改进。除了对组成部件或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (5)
1.一种应用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于包含如下步骤：
S1：网络进行初始化，建立网络拓扑结构信息；保留两级相邻节点表，通过向邻近节点发送询问广播的方式，排除空节点，简化网络节点结构；
S2：发送数据给特定节点，先判断数据中是否包含路径信息，如果没有，先建立传送路径；通过RTS-CTS握手过程完成数据传送；当目标节点不在相邻节点表范围时，通过询问边缘节点方式增加下两级相邻节点表；通信节点在每次通信完成后保留激活时间窗口，在激活时间内，无需唤醒信号，节点可进行数据发送；
S3：目标节点接收数据，在收到RTS信息后，侦听信道状态，在判断信道未被占用的情况下发送CTS信息，随后接收数据，成功后发送ACK信息；
S4：定期更新相邻节点表，更新信道质量、相邻节点地址以及节点间距离数据，更新自身相邻节点表信息；
其中，所述步骤S2中数据发送的具体操作过程如下：
S2-1：节点有数据要发送时，判断数据是否包含路径信息，如果是，则进入S2-4，否则进入S2-2；
S2-2：判断目标节点是否在相邻节点表范围内，如果是，则进入S2-3；否，则向边缘节点获取相邻节点扩展下两级相邻节点表，再进入S2-2；
S2-3：计算最优路径；
S2-4：判断路径中下一个节点距离上次通信时间是否超过激活时间，若否，则直接进入S2-5；是，则发送下一个节点的唤醒信号后，进入S2-5；
S2-5：向下一个节点发送RTS请求，并记录发送时间；
S2-6：判断是否收到CTS信号，如果是，进入S2-7，否，则进入S2-61；
S2-61：进入超时判断，是，则进入S2-62，否，则进入S2-6；
S2-62：判断RTS请求数是否超限，如果是，记录通信失败节点并进入S2-63，否则随机延迟一端时间后进入S2-5；
S2-63：判断是否还有其它路径，如果是，则进入S2-3，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠；
S2-7：记录接收时间并更新节点距离、信道质量，然后向下一个节点发送数据；
S2-8：如果在特定时间内未收到下一个节点的ACK信号，则进入S2-62，否，则待本节点的激活时间窗口过后进入休眠。
2.根据权利要求1所述的应用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于：所述步骤S1的具体操作过程如下：
S1-1：布放节点时，新节点收到控制台的初始化指令后发送询问临近节点广播，临近节点接收RTS请求；
S1-2：节点若收到RTS请求，则进入S1-3；节点若未收到RTS请求，则进入是否超时判定，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-3：节点检测信道是否空闲，是，发送CTS信息；否，延迟特定时间后进入S1-2；
S1-4：判断节点是否在规定时间内收到相邻节点信息，是，则进入S1-5，否，则清空计时器后进入S1-2；
S1-5：向发送节点信息的相邻节点发送ACK；
S1-6：新节点判断初始化操作是否超时，是，则进入S1-7，否，则进入S1-2；
S1-7：新节点检查其相邻节点信息是否为空，是，则向布放控制台发送错误信息，排除此相邻节点，否，则进入S1-8；
S1-8：固定时间内未收到信息，节点进入休眠。
3.根据权利要求1所述的用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于：所述步骤S3的具体操作过程如下：
S3-1：节点收到RTS信息；
S3-2：侦听信道状态：
S3-3：判断信道是否被占用，是，则进入S3-6；否，则发送CTS信号；
S3-4：判断接收是否成功，是，则进入S3-5，否，则进入S3-6；
S3-5：向发送数据的节点发送ACK应答信号；
S3-6：固定时间内未收到信息则进入休眠。
4.根据权利要求1所述的用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于：所述步骤S4的具体操作流程如下：
S4-1：节点收到更新相邻节点表的广播；
S4-2：节点记录接收时间并随机延迟一定时间后发送RTS请求；
S4-3：判断是否收到广播节点发送的CTS，是，则进入S4-4，否，则进入是否超时判断，未超时则进入S4-3，已超时则判断RTS尝试次数是否超限，未超限则进入S4-2，超限则进入S4-7；
S4-4：根据RTS-CTS时间间隔，计算发送广播节点与本节点的距离，然后向广播的节点发送数据，包括信道质量、临近节点地址以及与广播节点的距离；
S4-5：判断收到广播的节点是否收到ACK，是，则进入S4-6，否，则进入是否超时判断；未超时则再次进入S4-5，已超时则进入S4-7；
S4-6：更新自身相邻节点表信息；
S4-7：固定时间内未收到信息则进入休眠。
5.根据权利要求4所述的用于水下声通信网络的通信方法，其特征在于：所述步骤S4中所述的超时对应的时限t＝(2*通信机最远通信距离/声速)+通信节点内部的固定延时。
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