CN115278771B - 一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法 - Google Patents

一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。本发明的优势在于提出一种适用于多跳水声通信网络，基于时分多址的冲突避免媒介访问控制方法，该方法通过冲突避免减少网络中时延的浪费，提高网络的性能。首先，该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。其次，该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。最后，该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。

Description

一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法
技术领域
本发明属于水声通信领域，涉及一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。
背景技术
由于水声通信网络的长传播时延特性，节点之间的传输需要考虑到长传播时延带来的空时不确定性，需要对节点传输的时隙进行分配，避免节点之间的冲突。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。
本发明的优势在于提出一种适用于多跳水声通信网络，基于时分多址的冲突避免媒介访问控制方法，该方法通过冲突避免减少网络中时延的浪费，提高网络的性能。首先，该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。其次，该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。最后，该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。本发明方法具体包括以下步骤：
(1) 网络分组，静态网络为一个包含
Figure 421046DEST_PATH_IMAGE001
个节点的两跳网络。静态节点可以分为三 层，
Figure 5611DEST_PATH_IMAGE002
个浮标节点表示为集合
Figure 642129DEST_PATH_IMAGE003
个中继节点表示为集合
Figure 404680DEST_PATH_IMAGE004
，以及
Figure 228279DEST_PATH_IMAGE005
个传感器节点表示为集合
Figure 616535DEST_PATH_IMAGE006
。此外，节点数满足
Figure 841980DEST_PATH_IMAGE007
。层与层之间的节点以分簇的形式组织。
(2) 确定各个节点的传输时隙。静态节点之间都是时间同步的。传输周期被划分 为时隙，时隙的长度由通信范围
Figure 759121DEST_PATH_IMAGE008
和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够 被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为
Figure 340188DEST_PATH_IMAGE009
，
其中，
Figure 266556DEST_PATH_IMAGE010
是数据传输时间，可表示为
Figure 346507DEST_PATH_IMAGE011
是数据包长度，
Figure 716440DEST_PATH_IMAGE012
是水 声通信机的传输数据率。因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为
Figure 514632DEST_PATH_IMAGE013
。
对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点。假设一个 中继节点
Figure 244690DEST_PATH_IMAGE014
个传感器节点
Figure 179148DEST_PATH_IMAGE015
中继数据包，其中
Figure 719982DEST_PATH_IMAGE016
，节 点数目满足
Figure 5470DEST_PATH_IMAGE017
。这里，
Figure 273640DEST_PATH_IMAGE018
为向中继节点
Figure 328184DEST_PATH_IMAGE019
发送数据包的传感器节点的个数，
Figure 39919DEST_PATH_IMAGE020
指 代传感器节点，
Figure 547124DEST_PATH_IMAGE021
表示传感器节点
Figure 618985DEST_PATH_IMAGE022
的集合。则传感器节点
Figure 793615DEST_PATH_IMAGE022
传输数据包的时刻可以计算 为
Figure 410672DEST_PATH_IMAGE023
，
其中，
Figure 670752DEST_PATH_IMAGE024
表示节点
Figure 546304DEST_PATH_IMAGE025
的第
Figure 575440DEST_PATH_IMAGE026
次传输，表示节点
Figure 363398DEST_PATH_IMAGE027
已经传输了
Figure 110775DEST_PATH_IMAGE028
个数据包；
Figure 524438DEST_PATH_IMAGE029
是 与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配。
类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包。假设浮标 节点
Figure 408081DEST_PATH_IMAGE030
个中继节点
Figure 632520DEST_PATH_IMAGE031
收到数据包，其中
Figure 601613DEST_PATH_IMAGE032
，节点数 目满足
Figure 818968DEST_PATH_IMAGE033
。之后，中继节点
Figure 557116DEST_PATH_IMAGE034
发送数据包的时刻可以表示为
Figure 952457DEST_PATH_IMAGE035
，
这里，
Figure 408846DEST_PATH_IMAGE036
是节点
Figure 164312DEST_PATH_IMAGE037
的通信轮数，即中继节点
Figure 773279DEST_PATH_IMAGE037
已经传输了
Figure 588789DEST_PATH_IMAGE038
个数据包；
Figure 532474DEST_PATH_IMAGE039
是中 继节点的发送顺序且与节点的ID有关。
对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信。因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心。由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略。
(3)确定需要进行冲突避免的节点。主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的 簇内和簇间干扰。首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数 法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序。 需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度。假设一个中继节点
Figure 826052DEST_PATH_IMAGE040
个传感器节点
Figure 289525DEST_PATH_IMAGE041
中继数据包，其中
Figure 275936DEST_PATH_IMAGE042
，假设中继节 点
Figure 706917DEST_PATH_IMAGE043
个传感器节点
Figure 804186DEST_PATH_IMAGE044
中继数据包，其中
Figure 122166DEST_PATH_IMAGE045
。则该两 个传感器节点
Figure 279478DEST_PATH_IMAGE046
需要进行冲突避免的条件是
Figure 197756DEST_PATH_IMAGE047
，
其中，
Figure 833136DEST_PATH_IMAGE048
为节点之间的距离；
Figure 271202DEST_PATH_IMAGE049
为声速；
Figure 599415DEST_PATH_IMAGE050
为数据包的传输时延。
当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题。节点在按照顺序传 输的过程中，假设节点
Figure 739410DEST_PATH_IMAGE051
的传输顺序为
Figure 444060DEST_PATH_IMAGE052
，节点
Figure 736633DEST_PATH_IMAGE053
的传输顺序为
Figure 235747DEST_PATH_IMAGE054
，则节点将会在
Figure 863037DEST_PATH_IMAGE055
时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。
本发明的有益效果是：
1.该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。
2.该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。
3.该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。
附图说明
图1是网络拓扑结构图。
图2是一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法时序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。
本发明使用的网络拓扑图如图1所示，该静态网络为一个包含
Figure 840221DEST_PATH_IMAGE056
个节点的两跳网 络。静态节点可以分为三层，
Figure 252879DEST_PATH_IMAGE057
个浮标节点表示为集合
Figure 922894DEST_PATH_IMAGE058
个中继节点 表示为集合
Figure 303060DEST_PATH_IMAGE059
个传感器节点表示为集合
Figure 83934DEST_PATH_IMAGE060
。 此外，节点数满足
Figure 351099DEST_PATH_IMAGE061
。
图2所示的是一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法时序流程图。主要内容为：
(1) 网络分组。该静态网络为一个包含
Figure 192016DEST_PATH_IMAGE062
个节点的两跳网络。静态节点可以分为 三层，
Figure 793898DEST_PATH_IMAGE063
个浮标节点表示为集合
Figure 378464DEST_PATH_IMAGE064
个中继节点表示为集合
Figure 765714DEST_PATH_IMAGE065
个传感器节点表示为集合
Figure 511953DEST_PATH_IMAGE066
。此外，节点数满 足
Figure 335552DEST_PATH_IMAGE067
。层与层之间的节点以分簇的形式组织。
(2) 确定各个节点的传输时隙。静态节点之间都是时间同步的。传输周期被划分 为时隙，时隙的长度由通信范围
Figure 723808DEST_PATH_IMAGE068
和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够 被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为
Figure 977284DEST_PATH_IMAGE069
，
其中，
Figure 160003DEST_PATH_IMAGE070
是数据传输时间，可表示为
Figure 736478DEST_PATH_IMAGE071
是数据包长度，
Figure 413578DEST_PATH_IMAGE072
是水声 通信机的传输数据率。因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为
Figure 493530DEST_PATH_IMAGE073
。
对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点。假设一个 中继节点
Figure 112730DEST_PATH_IMAGE074
个传感器节点
Figure 910922DEST_PATH_IMAGE075
中继数据包，其中
Figure 126133DEST_PATH_IMAGE076
，节 点数目满足
Figure 326171DEST_PATH_IMAGE077
。这里，
Figure 116272DEST_PATH_IMAGE078
为向中继节点
Figure 136181DEST_PATH_IMAGE079
发送数据包的传感器节点的个数，
Figure 420663DEST_PATH_IMAGE080
指代 传感器节点，
Figure 475206DEST_PATH_IMAGE081
表示传感器节点
Figure 170630DEST_PATH_IMAGE082
的集合。则传感器节点
Figure 943414DEST_PATH_IMAGE082
传输数据包的时刻可以计算为
Figure 766007DEST_PATH_IMAGE083
，
其中，
Figure 675058DEST_PATH_IMAGE084
表示节点
Figure 806962DEST_PATH_IMAGE085
的第
Figure 801462DEST_PATH_IMAGE086
次传输，表示节点
Figure 427747DEST_PATH_IMAGE087
已经传输了
Figure 456883DEST_PATH_IMAGE088
个数据包；
Figure 494109DEST_PATH_IMAGE089
是 与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配。
类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包。假设浮标 节点
Figure 241485DEST_PATH_IMAGE090
个中继节点
Figure 405881DEST_PATH_IMAGE091
收到数据包，其中
Figure 289524DEST_PATH_IMAGE092
，节点数 目满足
Figure 497651DEST_PATH_IMAGE093
。之后，中继节点
Figure 732323DEST_PATH_IMAGE094
发送数据包的时刻可以表示为
Figure 700411DEST_PATH_IMAGE095
，
这里，
Figure 438559DEST_PATH_IMAGE096
的通信轮数，即中继节点
Figure 83167DEST_PATH_IMAGE097
已经传输了
Figure 539557DEST_PATH_IMAGE098
个数据包；
Figure 45755DEST_PATH_IMAGE099
是中 继节点的发送顺序且与节点的ID有关。
对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信。因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心。由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略。
(3)确定需要进行冲突避免的节点。主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的 簇内和簇间干扰。首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数 法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序。 需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度。假设一个中继节点
Figure 903990DEST_PATH_IMAGE100
个传感器节点
Figure 719499DEST_PATH_IMAGE101
中继数据包，其中
Figure 397605DEST_PATH_IMAGE102
，假设中继节 点
Figure 707495DEST_PATH_IMAGE103
个传感器节点
Figure 685815DEST_PATH_IMAGE104
中继数据包，其中
Figure 406647DEST_PATH_IMAGE105
。则该两个 传感器节点
Figure 837628DEST_PATH_IMAGE106
需要进行冲突避免的条件是
Figure 951209DEST_PATH_IMAGE107
，
其中，
Figure 252877DEST_PATH_IMAGE108
为节点之间的距离；
Figure 675768DEST_PATH_IMAGE109
为数据包的传输时延。
当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题。节点在按照顺序传 输的过程中，假设节点
Figure 79199DEST_PATH_IMAGE110
的传输顺序为
Figure 980159DEST_PATH_IMAGE111
，节点
Figure 401913DEST_PATH_IMAGE112
的传输顺序为
Figure 730126DEST_PATH_IMAGE113
，则节点将会在
Figure 870120DEST_PATH_IMAGE114
时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。

Claims (1)

1.一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)网络分组，静态网络为一个包含N个节点的两跳网络，静态节点可以分为三层，C个浮标节点表示为集合
Figure FDA0003958245820000011
M个中继节点表示为集合
Figure FDA0003958245820000012
以及S个传感器节点表示为集合
Figure FDA0003958245820000013
此外，节点数满足N＝C+M+S，层与层之间的节点以分簇的形式组织；
(2)确定各个节点的传输时隙，传输周期被划分为多个时隙，一个时隙长度包括包的传输时延和最大传播时延，在一个时隙内，节点在时隙的开始时刻发送数据包，在时隙结束之前，接收节点处能够接收到数据包，每个簇内节点按照顺序分配一个时隙向簇首传输数据包，另外考虑到簇内和簇间干扰，对节点分配的时隙进行调整，避免节点之间的传输冲突；
(3)确定需要进行冲突避免的节点，针对节点之间的传输时延和传播时延，建立簇内和簇间干扰冲突条件，确定需要进行冲突避免的节点，之后为需要冲突避免的节点动态调整分配的时隙，避免数据包间的传输冲突；
所述步骤(1)中网络分组的具体构建方法如下：
节点之间根据位置深度和距离划分为三层，第一层和第二层节点之间的距离稀疏，两两之间大于通信距离，其余节点被分为第三层节点，之后，第二层节点根据到第一层节点之间的距离最近的原则选择节点的簇首，第三层节点根据到第二层节点之间的距离最近的原则选择节点的簇首，向同一个节点传输数据的节点为一簇，传感器节点由于分布比较集中，存在簇内和簇间干扰，而中继节点分布分散则不存在簇内和簇间干扰；多个传感器节点从海洋中采集数据通过水声通信链路向一个中继节点进行传输，之后再由中继节点通过水声通信链路中继给浮标节点，最后浮标节点通过电磁波链路将数据传输到数据中心；
所述步骤(2)中确定各个节点的传输时隙的具体构建方法如下：
静态节点之间都是时间同步的，传输周期被划分为时隙，时隙的长度由通信范围d0和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为
Figure FDA0003958245820000021
其中，tdata是数据传输时间，可表示为tdata＝Ldata/ω，Ldata是数据包长度，ω是水声通信机的传输数据率，vs是声波在水下传播的速度，因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为
Figure FDA0003958245820000022
对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点，假设一个中继节点mj为Sj个传感器节点
Figure FDA0003958245820000023
中继数据包，其中
Figure FDA0003958245820000024
节点数目满足
Figure FDA0003958245820000025
这里，Sj′为向中继节点mj′发送数据包的传感器节点的个数，
Figure FDA0003958245820000026
指代传感器节点，
Figure FDA0003958245820000028
表示传感器节点
Figure FDA0003958245820000027
的集合，则传感器节点
Figure FDA0003958245820000029
传输数据包的时刻可以计算为
Figure FDA0003958245820000031
其中，
Figure FDA0003958245820000032
表示节点
Figure FDA0003958245820000033
的第
Figure FDA0003958245820000034
次传输，表示节点
Figure FDA0003958245820000035
已经传输了
Figure FDA0003958245820000036
个数据包；k是与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配；
类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包；假设浮标节点ci从Mi个中继节点
Figure FDA0003958245820000037
收到数据包，其中
Figure FDA0003958245820000038
节点数目满足
Figure FDA0003958245820000039
之后，中继节点
Figure FDA00039582458200000310
发送数据包的时刻可以表示为
Figure FDA00039582458200000311
这里，
Figure FDA00039582458200000312
是节点
Figure FDA00039582458200000313
的通信轮数，即中继节点
Figure FDA00039582458200000314
已经传输了
Figure FDA00039582458200000315
个数据包；j是中继节点的发送顺序且与节点的ID有关；
对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信，因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心，由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略；
所述步骤(3)中确定需要进行冲突避免的节点具体构建方法如下：
主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的簇内和簇间干扰，首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序，需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度，假设一个中继节点mj为Sj个传感器节点
Figure FDA0003958245820000041
中继数据包，其中
Figure FDA0003958245820000042
假设中继节点mj′为Sj′个传感器节点
Figure FDA0003958245820000043
中继数据包，其中
Figure FDA0003958245820000044
则该两个传感器节点
Figure FDA0003958245820000045
和
Figure FDA0003958245820000046
需要进行冲突避免的条件是
Figure FDA0003958245820000047
其中，
Figure FDA0003958245820000048
和
Figure FDA0003958245820000049
为节点之间的距离；vs为声速；tdata为数据包的传输时延；
当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题，节点在按照顺序传输的过程中，假设节点
Figure FDA00039582458200000410
的传输顺序为k，节点
Figure FDA00039582458200000411
的传输顺序为k′，则节点将会在A＝k×k′时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。
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