CN112672432A - 一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对无人平台组网面临通信速率低、链路不稳定、端到端时延大等带来网络传输效率低的问题，提出了一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议，该协议分别从避免双向来回握手过程、减少控制帧传输和降低自动重传概率等角度出发，设计了控制帧与数据帧频分复用并发传输机制、帧复用机制、双频段侦听与柔性切换机制，显著提高多址接入协议的传输效率，且协议简单易实现，具有较高实用性。

Description

一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法

技术领域

本发明涉及水声通信组网技术领域，主要是一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法。

背景技术

海洋是蕴藏资源的宝库，当前，随着陆地资源枯竭，海洋开发已成为本世纪经济增长点，伴随科学技术进步，大数据、人工智能和信息化将成为经济增长引擎的助推剂，而水声通信网络技术是海洋信息化的关键支撑技术，越来越受到广泛关注。

按照节点部署形式划分，水声通信网络可分为固定式、机动式和固定与机动混合式，按业务方向划分，可分成传感器网络和数据传输网络。水声通信网络普遍采用开放式分层体系架构，主要集中在物理层水声通信、链路层多址接入(MAC)协议和网络层路由协议等技术研究。MAC协议主要解决多个用户怎样接入网络并合理有效的利用信道，通常来说，水下通信网络的MAC层协议可分为调度型协议和竞争型协议，其中调度型协议主要有FDMA(频分)、TDMA(时分)和CDMA(码分)复用的方式用以固定分配和利用信道资源，它们的优势在于一开始规定了预设通信顺序和方式，轮流接入信道占用资源时可以尽量大的程度上降低数据包之间的碰撞以降低丢包率；竞争型MAC协议的研究主要集中在基于信道预留竞争协议和基于握手机制方式的竞争协议。

因噪声、时变、多径水声信道条件，无人平台组网面临通信速率低、链路不稳定、时延大、节点动态扩展等问题，MAC协议应具备可扩展性、低延时和高传输效率特点，调度型MAC协议比较适用于固定式网络，而竞争型MAC协议比较适合机动式无人平台组网。目前，MACAW(MACA for Wireless)协议为典型的竞争型MAC协议之一，该协议采用载波侦听和随机退避机制，在传输数据前进行一次RTS(Request to send)帧与CTS(Clear to send)帧握手以避免数据冲突，通过ACK(Acknowledgement)确认帧释放信道占用权，并使得通信网络在信道传输误码率相对高时提高吞吐量，但额外的RTS-CTS握手机制增加了系统开销，尤其对水声通信网络而言，由于声速低导致的来回握手消耗的时间严重拉长了端到端延时，进而降低了传输效率，并且当信道传输条件较差时，往往通过自动重传实现差错控制，频繁地来回握手进一步降低了网络传输效率

发明内容

本发明针对MACAW协议传输效率低的问题，分别从避免双向来回握手过程、减少控制帧传输和降低自动重传概率等角度出发，提出一种面向无人平台组网的柔性高效的多址接入协议设计方法，该协议相比传统MACAW协议而言，有效提高了多址接入协议的传输效率。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种面向无人平台组网的柔性高效的多址接入协议设计方法，它包括以下关键环节：

(1)控制帧与数据帧频分复用并发传输机制

传统MACAW协议依赖RTS-CTS握手机制避免冲突，数据每跳传输必须RTS、CTS、DATA、ACK等帧按序进行，存在2次来回双向握手传输过程，传输时延大，传输效率低。本发明将通信频段等分成两个独立频段，分别用于控制帧(包括RTS帧、CTS帧和ACK帧)和数据帧(DATA帧)传输，采用频分复用接入方式，使得控制帧与数据帧无干扰并发传输，并允许中继节点在收到上一跳节点的数据帧后立即转发至下一跳节点，无需握手等待过程，从而极大提高协议传输效率。

(2)帧复用机制

传统MACAW协议的每个节点通过传输RTS-CTS-DATA-ACK帧传输实现多址接入，控制帧数目多也是降低传输效率较主要因素之一。本发明设计了帧复用机制，可减少大部分控制帧传输过程，从而进一步提高协议效率。具体地，中继节点的下一跳节点侦听中继节点发出的CTS帧内容，复用为中继节点对下一跳节点的RTS帧，中继节点的上一跳节点侦听中继节点发出的DATA帧，复用为中继节点对上一跳节点的ACK帧，从而使得中继节点无需传输RTS帧和ACK帧，信源节点无需传输ACK帧，目的节点无需要发射传输ACK帧，提高了协议传输效率。

(3)双频段侦听与柔性切换机制

水声信道多径扩展严重，具有频率选择性衰落和时间-空间变化特性，影响了链路传输的稳定性。本发明设计了双频段侦听与柔性切换机制，双频段侦听一方面用于获取信道占用情况，另一方面通过双频段信道传输质量评价，根据评价结果，进行频段柔性切换，提高传输可靠性，降低重传发生概率，从而提高协议传输效率。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法，该协议较传统MACAW协议在传输效率方面具有较大改进：其一、设计了控制帧与数据帧频分复用并发传输机制，有效避免双向来回握手问题，节省握手占用的时间，提高了协议传输效率；其二，设计了帧复用机制，减少了大部分控制帧传输过程，进一步提高了协议传输效率；其三、设计了控制帧与数据帧双频段侦听机制，柔性切换频段，提高传输可靠性，减少数据重传次数，更进一步提高了协议传输效率。本发明在提高无人平台组网多址接入协议的传输效率方面具有明显有益的效果，且协议简单易实现，具有较高实用性。

附图说明

图1为面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议示意图。

图2为传统的MACAW协议示意图。

图3为频段柔性切换时传输示意图。

图4为多址接入协议的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

1.多址接入协议设计

图1为面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议示意图。图中，假设源节点与目的节点存在3跳，频段1用于传输RTS、CTS和ACK等控制帧，频段2用于传输DATA帧。源节点先发送RTS帧后，等待下一跳中继节点A返回的CTS帧，再发送DATA帧；中继节点A收到源节点的RTS帧后，发送CTS帧，通知源节点可以发送DATA帧，并通知节点B准备接收DATA帧，节点A收到源节点的DATA帧和下一跳节点B的CTS帧后，将DATA帧转发至下一跳节点B；中继节点B收到节点A的CTS帧后，发送CTS帧，通知节点A可以发送DATA帧，并通知目的节点准备接收DATA帧，节点B收到节点A的DATA帧和下一跳节点的CTS帧后，将DATA帧转发至目的节点；目的节点收到节点B的CTS帧后，发送CTS帧，通知节点B可以发送DATA帧，目的节点收收到节点B的DATA帧后，返回ACK帧，整个数据包传输结束。从图可以看出，数据包从源节点传输至目的节点的时间为：

式(1)中t_r、t_c、t_d、t_a分别表示为RTS帧、CTS帧、DATA帧和ACK帧的持续时间，t_ya、t_ab、t_bm分别表示为源节点与节点A、节点A与节点B、节点B与目的节点的传输时间，d_ya、d_ab、d_bm分别表示源节点与节点A、节点A与节点B、节点B与目的节点的距离，c为声速。

图2为传统MACAW协议示意图，图2中的每一个节点都需要RTS-CTS-DATA-ACK传输过程，其中，数据包从源节点传输至目的节点的时间为：

t＝3t_r+3t_c+3t_d+3t_a+4t_ya+4t_ab+4t_bm (2)

对比式(1)和式(2)，本发明提出的多址接入协议明显缩短了数据包传输时间，可以明显反映在传输效率方面带来的有益效果。

(1)控制帧与数据帧频分复用并发传输机制

对比图1和图2，由于本发明设计了控制帧与数据帧频分复用并发传输机制，将通信频段等分成两个频段，允许控制帧与数据帧以不同频段同时在信道中传输，而传统MACAW协议只有一个频段，必须按照RTS-CTS-DATA-ACK顺序依次传输，本发明提出的协议握手等待过程比传统MACAW协议少许多，具有较高的协议传输效率。

(2)帧复用机制

对比图1和图2，由于本发明设计了帧复用机制，将CTS帧复用为对下一跳节点发出的RTS帧，将DATA帧复用为对上一跳节点的ACK帧，中继节点A、B只需发送CTS帧和DATA帧，无需发送RTS帧和ACK帧，源节点无需发送ACK帧，目的节点无需发送RTS帧，而传统MACAW协议每个节点都需要发送RTS帧、CTS帧、DATA帧和ACK帧，因此，本发明的多址协议减少了大部分控制帧传输，从而提高协议传输效率。

2.双频段侦听与柔性切换设计

水声信道多径扩展严重，具有频率选择性衰落和时间-空间变化特性，无人平台的空间位置和数据传输的时刻不同，或者平台不同运动状态下各频段的噪声也会发生变化，引起信道传输质量非平稳，导致链路传输错误，需要通过自动重传的差错控制来实现可靠传输，而自动重传增加了传输的延时，降低了传输效率。本发明针对该问题，设计了双频段侦听与柔性切换机制，一般而言，控制帧的信息比特数比数据帧小很多，往往采用速率低可靠性高的通信方式传输，对信道传输质量要求较低，数据帧采用速率高可靠性较低的通信方式传输，对信道传输质量要高，通过对双频段的信道侦听，一方面获悉信道占用情况，另一方面对每个频段的频率衰落、信噪比和多途扩展等信道传输质量进行评价，根据评价结果，并以信道传输质量最好的频段用于传输数据帧为准则，进行频段柔性切换。图3为频段柔性切换时数据包传输示意图，图中数据包由节点A传输至节点B发生错误，节点B返回给节点A一个含双频段的信道传输质量评价信息的NACK帧，假设评价结果表明频段1的信道质量好于频段2，节点A则柔性切换频段，频段2用于传输控制帧，频段1用于传输数据帧，而传统MACAW协议只有一个频段，无法更换传输质量好的频段，因此本发明提出的协议比传统MACAW协议再次重传时发生错误的概率要低，可减少重传次数，提高协议传输效率。

3.多址接入协议工作流程

图4为本发明提出的多址接入协议的工作流程图。对于网络中的任意节点：

(1)节点的工作常态为双频段侦听状态，在侦听过程中，如果退避超时且自身有数据发送则转入步骤(2)，如果收到RTS帧，则转入步骤(3)，如果收到CTS帧，则转入步骤(4)，如果收到DATA帧，则转入步骤(5)，如果收到ACK帧，则转入步骤(1)，如果收到NACK帧，则转入步骤(6)；

(2)节点发送RTS帧后，转入步骤(1)；

(3)节点发送CTS帧后，转入步骤(1)；

(4)节点收到CTS帧后，如果自身为源节点，则发DATA帧，否则发送CTS帧，转入步骤(1)；

(5)节点收到DATA帧后，根据DATA帧校验结果，如果校验正确，并且自身是目的节点，发送ACK帧，自身不是目的节点则发送NACK帧。如果校验错误，发送NACK帧。转入步骤(1)；

(6)节点收到NACK帧后，根据NACK帧反馈的信道传输质量评价结果，如果控制帧信道传输质量好于数据帧，切换频段，否则保持原频段不变，发送RTS帧，转入步骤(1)。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本发明针对无人平台组网面临通信速率低、链路不稳定、端到端时延大等带来网络传输效率低的问题，提出了一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议，该协议分别从避免双向来回握手过程、减少控制帧传输和降低自动重传概率等角度出发，设计了控制帧与数据帧频分复用并发传输机制、帧复用机制、双频段侦听与柔性切换机制，显著提高多址接入协议的传输效率，且协议简单易实现，具有较高实用性。

Claims (3)

1.一种面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、控制帧与数据帧频分复用并发传输机制

将通信频段等分成两个独立频段，分别用于控制帧和数据帧传输，采用频分复用接入方式，使得控制帧与数据帧无干扰并发传输，并允许中继节点在收到上一跳节点的数据帧后立即转发至下一跳节点；

(2)、帧复用机制

中继节点的下一跳节点侦听中继节点发出的CTS帧内容，复用为中继节点对下一跳节点的RTS帧，中继节点的上一跳节点侦听中继节点发出的DATA帧，复用为中继节点对上一跳节点的ACK帧；

(3)、双频段侦听与柔性切换机制

双频段侦听一方面用于获取信道占用情况，另一方面通过双频段信道传输质量评价，根据评价结果，进行频段柔性切换。

2.根据权利要求1所述的面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法，其特征在于：所述的控制帧包括RTS帧、CTS帧和ACK帧。

3.根据权利要求1所述的面向无人平台组网的柔性高效多址接入协议设计方法，其特征在于：对于网络中的任意节点：

(1)节点的工作常态为双频段侦听状态，在侦听过程中，如果退避超时且自身有数据发送则转入步骤(2)，如果收到RTS帧，则转入步骤(3)，如果收到CTS帧，则转入步骤(4)，如果收到DATA帧，则转入步骤(5)，如果收到ACK帧，则重新转入步骤(1)，如果收到NACK帧，则转入步骤(6)；

(2)节点发送RTS帧后，转入步骤(1)；

(3)节点发送CTS帧后，转入步骤(1)；

(4)节点收到CTS帧后，如果自身为源节点，则发DATA帧，否则发送CTS帧，转入步骤(1)；

(5)节点收到DATA帧后，根据DATA帧校验结果，如果校验正确，并且自身是目的节点，发送ACK帧，自身不是目的节点则发送NACK帧，如果校验错误，发送NACK帧，转入步骤(1)；

(6)节点收到NACK帧后，根据NACK帧反馈的信道传输质量评价结果，如果控制帧信道传输质量好于数据帧，切换频段，否则保持原频段不变，发送RTS帧，转入步骤(1)。

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