CN114039674B - 一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，应用于水声通信技术领域，包括以下步骤：信道预约步骤：有数据传输需求的节点，进行信道预约；数据传输步骤：根据预约结果，进行数据传输，直至最后一个节点数据发送完毕；数据应答步骤：每个接收节点对接收到的数据进行应答，直至最后一个接收节点应答完毕。本发明是可以部署在全双工水下通信节点上的并行媒体接入控制方法，避免了在全双工节点上部署已有同类方法导致的低效性；拥有低碰撞率、高吞吐量和低能耗等优越性能。

Description

一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法。

背景技术

用于水下传感器网络的并行传输方法，采用基于传播时延差的并行发送时间分配原理，来抑制水下声信道的空间不确定性。对这种基于传播时延差的并行发送时间分配算法，举例描述如下。

如附图2所示，有两个传输任务，即S_i→D_i和S_j→D_j，S_i和D_i分别为第i个传输任务的源节点和目的节点，S_j和D_j分别为第j个传输任务的源节点和目的节点。如果第j个传输任务不影响第i个传输任务，则需要节点S_j发送的数据包DATA₂和节点S_i发送的数据包DATA₁被节点D_i接收时，不发生覆盖。同时，如果第i个传输任务不影响第j个传输任务，则需要节点Si发送的数据包DATA₁和节点S_j发送的数据包DATA₂被节点D_j接收时，也不发生覆盖。只要节点数据发送时间满足如下等式(7)，则两个传输任务的数据包不会发生覆盖，即两个传输任务可以并行执行。

其中，T_i和T_j分别为节点S_i和节点S_j的数据发送时间，L_DATA为数据传输时长，和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_i的传播时延。/>和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_j的传播时延。C是适应传播延迟的变化所需的保护时间。

但是，已有同类方法属于非时隙级的媒体接入控制方法，未考虑水下声信道的时间不确定性对并行传输任务间数据覆盖的影响。同时，该同类方法仅是在半双工水下传感器网络场景下的媒体接入控制方法，当在全双工水下传感器节点部署该方法时，无法获得更好的信道利用率性能。

因此，提出一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，克服现有技术中存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，可以部署在全双工水下通信节点上的并行媒体接入控制方法，避免了在全双工节点上部署已有同类方法导致的低效性；拥有低碰撞率、高吞吐量和低能耗等优越性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，包括以下步骤：

信道预约步骤：有数据传输需求的节点，进行信道预约；

数据传输步骤：根据预约结果，进行数据传输，直至最后一个节点数据发送完毕；

数据应答步骤：每个接收节点对接收到的数据进行应答，直至最后一个接收节点应答完毕。

优选的，信道预约步骤的具体内容为：

有数据传输需求的节点发送信道请求消息，通知其它节点即将到来的传输任务，其它节点接收到信道请求消息后，将该传输任务记录到任务队列中。

优选的，数据传输步骤的具体内容为：

信道预约步骤结束后，根据节点间时隙化传播时延，网络中每个节点通过发送时间分配算法，得到一张相同的发送时间表；每个发送节点根据发送时间表中分配的发送时隙和发送相位，进行数据包传输。

优选的，发送时间表分配发送时隙和发送相位的具体内容为：

发送时间表给每个发送节点分配对应的发送时隙，同时，每个发送节点根据其目标接收节点的传播时延计算发送相位，则每个发送节点根据自身的发送时隙和发送相位，在数据传输阶段发送数据包。

优选的，节点间时隙化传播时延具体如下式所示：

其中，和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_i的传播时延；/>和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_j的传播时延；r_i表示节点S_i向节点D_i发送数据的传播时隙数；r_ij表示节点S_i向节点D_j发送数据的传播时隙数；而r_j表示节点S_j向节点D_j发送数据的传播时隙数；r_ji表示节点S_j向节点D_i发送数据的传播时隙数。

优选的，发送时隙的时隙长度具体如下式所示：

其中，T_tx为数据包传输时长，D_max为节点间最大声传播距离，C_min为水下最小声速，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子；

α_max＝V_max/C_min (3)

T_max＝D_max/C_min (4)

其中，V_max为节点最大移动速度，T_max为节点间最大传播时延。

优选的，发送相位具体计算如下式所示：

其中，为节点S_i和节点D_i之间的传播距离，T_s为时隙长度，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子，D_max为节点间最大声传播距离。

优选的，数据包的发送时间分配算法具体如下所示：

其中，T₁和T_j表示发送时隙，T_jn表示发送时隙的备选值，A_D为已经分配发送时间的传输任务集合，U_D为未分配发送时间的传输任务集合，T_max为节点间最大传播时延，λ为保护时隙数，默认值为0，当节点间最大传播时延差为0时，λ＝1，δ根据节点间的收发关系取值。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法：1)采用了一种时隙级技术，即在时隙长度定义时，考虑了水下声速变化对传播时延的扰动和节点间相对移动对传播时延的扰动，抑制水下声速变化导致的时间不确定性，同时抑制节点间移动导致的时间不确定性，即避免了由于水下声信道时间不确定性导致的数据碰撞；2)采用了基于接收端同步的技术，即使用数据发送相位计算公式，避免了接收数据覆盖，消除长传播时延导致的低信道利用率；3)对全双工场景的数据发送时隙的计算进行精细控制，当本发明部署在全双工水下声通信节点时，可以获得更好的局部最优效果，即获得更小的发送时隙数，当传输任务数一定时，数据传输阶段时长更小，进一步提高全双工场景的信道利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法流程图；

图2为本发明并行传输时序图；

图3为本发明一个数据传输周期的时序图；

图4为本发明当待分配发送时隙的节点为接收端时的数据传输时序图；

图5为本发明当已分配发送时隙的节点为接收端时的数据传输时序图；

图6为本发明所用发送节点都不作为接收端时的数据传输时序图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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1

参照图1所示，本发明公开了一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，包括以下步骤：

信道预约步骤：有数据传输需求的节点，进行信道预约；

数据传输步骤：根据预约结果，进行数据传输，直至最后一个节点数据发送完毕；

数据应答步骤：每个接收节点对接收到的数据进行应答，直至最后一个接收节点应答完毕。

在一个具体实施例中，信道预约步骤的具体内容为：

有数据传输需求的节点发送信道请求消息，通知其它节点即将到来的传输任务，其它节点接收到信道请求消息后，将该传输任务记录到任务队列中。

在一个具体实施例中，数据传输步骤的具体内容为：

信道预约步骤结束后，根据节点间时隙化传播时延，网络中每个节点通过发送时间分配算法，得到一张相同的发送时间表；每个发送节点根据发送时间表中分配的发送时隙和发送相位，进行数据包传输。

在一个具体实施例中，发送时间表分配发送时隙和发送相位的具体内容为：

发送时间表给每个发送节点分配对应的发送时隙，同时，每个发送节点根据其目标接收节点的传播时延计算发送相位，则每个发送节点根据自身的发送时隙和发送相位，在数据传输阶段发送数据包。

在一个具体实施例中，节点间时隙化传播时延具体如下式所示：

其中，和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_i的传播时延；/>和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_j的传播时延；r_i表示节点S_i向节点D_i发送数据的传播时隙数；r_ij表示节点S_i向节点D_j发送数据的传播时隙数；而r_j表示节点S_j向节点D_j发送数据的传播时隙数；r_ji表示节点S_j向节点D_i发送数据的传播时隙数。

在一个具体实施例中，发送时隙的时隙长度具体如下式所示：

其中，T_tx为数据包传输时长，D_max为节点间最大声传播距离，C_min为水下最小声速，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子；

α_max＝V_max/C_min (3)

T_max＝D_max/C_min (4)

其中，V_max为节点最大移动速度，T_max为节点间最大传播时延。

在一个具体实施例中，发送相位具体计算如下式所示：

其中，为节点S_i和节点D_i之间的传播距离，T_s为时隙长度，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子，D_max为节点间最大声传播距离。

在一个具体实施例中，数据包的发送时间分配算法具体如下所示：

其中，T₁和T_j表示发送时隙，T_jn表示发送时隙的备选值，A_D为已经分配发送时间的传输任务集合，U_D为未分配发送时间的传输任务集合，T_max为节点间最大传播时延，λ为保护时隙数，默认值为0，当节点间最大传播时延差为0时，λ＝1，δ根据节点间的收发关系取值。

在一个具体实施例中，对于已分配发送时隙的传输任务k和未分配发送时隙的传输任务n，

当S_n＝D_k，即节点S_n既是传输任务n的发送节点，同时还是传输任务k的接收节点时，δ具体为：

δ＝(r_kn-r_n)+m_k (8)

其中，m_k为传输任务k占用的传输时隙数，m_k≥1。

当S_k＝D_n，即节点S_k既是传输任务k的发送节点，同时还是传输任务n的接收节点时，δ具体为：

δ＝(r_k-r_nk)+m_k (9)

当S_n＝D_k，同时S_k＝D_n，即节点S_n和节点S_k互为收发节点时，δ＝0。

如果节点S_n和节点S_k之间不存在收发关系时，δ具体为：

δ＝max{r_k-r_nk,r_kn-r_n}+m_k (10)。

在一个实施例中，参照图3所示，数据传输过程分为三个阶段：信道预约阶段、数据传输阶段和数据应答阶段。信道预约阶段结束后，每个发送节点通过公式(6)计算获取一张相同的数据发送时隙表，发送节点根据自身分配到的发送时隙启动数据传输。

根据待分配发送时隙节点和已分配发送时隙节点的收发关系，确定发送时隙的计算公式中的传播时延差。以两个传输任务为例对本发明进行详细的描述：如附图4所示，已分配发送时隙的节点S₁向待分配发送时隙的节点S₂发送数据，节点S₂向节点D₂发送数据，这时，节点S₂作为节点S₁的接收节点，等同于节点D₁，即S₂＝D₁。节点S₂工作在全双工模式，当节点S₁的数据到达节点S₂时，节点S₂可以同时向节点D₂发送数据，节点S₂的数据接收不受影响。所以，使用等式(8)计算传播时延差。

根据待分配发送时隙节点和已分配发送时隙节点的收发关系，确定发送时隙的计算公式中的传播时延差。以两个传输任务为例对本发明进行详细的描述：如附图5所示，待分配发送时隙的节点S₂向已分配发送时隙的节点S₁发送数据，节点S₁向节点D₁发送数据，这时，节点S₁作为节点S₂的接收节点，等同于节点D₂，即S₁＝D₂。节点S₁工作在全双工模式，当节点S₂的数据到达节点S₁时，节点S₁可以同时向节点D₁发送数据，节点S₁的数据接收不受影响。所以，使用等式(9)计算传播时延差。

根据待分配发送时隙节点和已分配发送时隙节点的收发关系，确定发送时隙的计算公式中的传播时延差。以三个传输任务为例对本发明进行详细的描述：如附图6所示，S₁→D₁、S₂→D₂和S₃→D₃分别表示三个传输任务，三个发送节点S₁、S₂和S₃之间没有收发关系。假设节点S₁在时隙T₁发送数据包DATA₁给节点D₁，要求节点S₂和节点S₃发送的数据包被节点D₁接收时，接收时间落在DATA₁之后。节点S₂和节点S₃分别计算满足上述条件的发送时隙，分别得到时隙号T₂₂和T₂₃，采用局部最优策略，取T₂₂和T₂₃的最小值保存为第二个发送时隙T₂的值，假设T₂₂≤T₂₃，节点S₂在时隙T₂发送数据包DATA₂给节点D₂，要求节点S₃发送的数据包被节点D₁接收时，接收时间落在DATA₁之后，同时，被节点D₂接收时，接收时间落在DATA₂之后。为满足上述条件，节点S₃计算得到两个时隙号T₃₁和T₃₂，取T₃₁和T₃₂的最大值作为发送时隙T₃，节点S₃在时隙T₃发送数据包DATA₃给节点D₃。所以，使用等式(10)计算传播时延差。

发送时隙分配算法具体如下：

本发明采用基于接收同步的时隙级技术，抑制水下声信道的时间不确定性；专用于全双工水下传感器网络，相对于仅考虑半双工场景的已有同类方法，在全双工场景可以获得更好的信道利用率，抑制水下声信道的空间不确定性。

对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

信道预约步骤：有数据传输需求的节点，进行信道预约；

数据传输步骤：根据预约结果，进行数据传输，直至最后一个节点数据发送完毕；

数据应答步骤：每个接收节点对接收到的数据进行应答，直至最后一个接收节点应答完毕；

数据传输步骤的具体内容为：

信道预约步骤结束后，根据节点间时隙化传播时延，网络中每个节点通过发送时间分配算法，得到一张相同的发送时间表；每个发送节点根据发送时间表中分配的发送时隙和发送相位，进行数据包传输；

节点间时隙化传播时延具体如下式所示：

其中，和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_i的传播时延；/>和/>分别为从节点S_i和节点S_j到节点D_j的传播时延；r_i表示节点S_i向节点D_i发送数据的传播时隙数；r_ij表示节点S_i向节点D_j发送数据的传播时隙数；而r_j表示节点S_j向节点D_j发送数据的传播时隙数；r_ji表示节点S_j向节点D_i发送数据的传播时隙数；

发送时隙的时隙长度具体如下式所示：

其中，T_tx为数据包传输时长，D_max为节点间最大声传播距离，C_min为水下最小声速，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子；

α_max＝V_max/C_min (3)

T_max＝D_max/C_min (4)

其中，V_max为节点最大移动速度，T_max为节点间最大传播时延；

发送相位具体计算如下式所示：

其中，为节点S_i和节点D_i之间的传播距离，T_s为时隙长度，C_max为水下最大声速，α_max为节点间最大多普勒扩展因子，D_max为节点间最大声传播距离；

数据包的发送时间分配算法具体如下所示：

其中，T₁和T_j表示发送时隙，T_jn表示发送时隙的备选值，A_D为已经分配发送时间的传输任务集合，U_D为未分配发送时间的传输任务集合，T_max为节点间最大传播时延，λ为保护时隙数，默认值为0，当节点间最大传播时延差为0时，λ＝1，δ根据节点间的收发关系取值。

2.根据权利要求1所述的一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，其特征在于，

信道预约步骤的具体内容为：

有数据传输需求的节点发送信道请求消息，通知其它节点即将到来的传输任务，其它节点接收到信道请求消息后，将该传输任务记录到任务队列中。

3.根据权利要求1所述的一种用于全双工水下传感器网络的并行媒体接入控制方法，其特征在于，

发送时间表分配发送时隙和发送相位的具体内容为：

发送时间表给每个发送节点分配对应的发送时隙，同时，每个发送节点根据其目标接收节点的传播时延计算发送相位，则每个发送节点根据自身的发送时隙和发送相位，在数据传输阶段发送数据包。