CN115603831A - 一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，所述传输方法包括以下步骤：第一步，构建具有多个网络节点的水声网络，在每个网络节点内建立并存储网络控制帧类型表；第二步，源网络节点选取网络控制帧类型表中的任一网络控制帧后通过水声信道发送至目的网络节点；第三步，目的网络节点将接收到的网络控制帧按照变长控制帧译码算法进行译码处理。本基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法根据不同网络控制帧的有效信息量，设计网络控制帧的帧长和译码算法，有利于缩短网络控制帧的传输时长，减小与其他网络控制帧信号碰撞的概率，有利于减小传输资源浪费，提高网络传输效率。

Description

一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法

技术领域

本发明涉及水声通信网络的技术领域，尤其是涉及一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法。

背景技术

水声通信是水下环境进行远距离数据传输的重要手段，水声网络是以水声通信为手段，在水下环境由多个水声通信节点构成的传输网络。水声信道为开放性资源，若水声网络内多个节点同时通过水声信道发送信号，各信号容易相互碰撞，进而造成传输失败。所以在水声网络传输过程中需要设计传输协议，如MACAW、DSR等传输协议。节点与节点之间通过传输协议进行网络控制信息交互，实现数据无碰撞传输，则水声网络能够可靠运行。水声信道非常复杂，受到各种自然环境，地理条件和随机因素的影响。为减少水声信道对传输过程的影响，通常会对水声信号进行复杂的编码处理，在接收端同样需要进行译码处理。

水声网络内信号主要以帧格式进行传输，一般分为网络控制帧和网络数据帧。网络数据帧对应网络内传输的有效数据，网络控制帧对应不同网络协议的控制信息。由于译码过程需要知道待译码信号的信息量，故现有的水声网络通常将网络控制帧设计为固定信息量，并将其作为网络先验信息。水声网络内各节点根据网络控制帧的先验信息，实时对采集到的信号进行译码处理，如果译码成功，则成功接收到网络控制帧。

由于网络数据帧对应的信息量和通信方式会随数据传输需求变化，故在进行网络数据帧传输之前，通常需要先发送网络控制帧，在收发双方约定网络数据帧的信息量和通信方式，接收方在成功接收网络控制帧后，按照约定的信息量和通信方式对网络数据帧进行译码处理。

网络控制帧分类较多，且不同的网络控制帧包含的有效信息量不同，现有水声网络在设计网络控制帧大小时，通常按照所有网络控制帧的最大信息量进行设计，例如MACAW协议的RTS包含控制帧、源节点、目的节点、待传输数据大小等5个字节，DSR协议的RREQ包含控制帧、源节点、目的节点、最大跳数、转发节点列表等11个字节，水声网络中网络控制帧大小统一设计为11字节。在传输RTS控制帧时，前5个字节为有效数据，后6个字节通常进行补0处理，这将造成部分网络控制帧的资源浪费，并且网络控制帧信息量越大，对应的信号时长越长，越容易与其他信号碰撞，影响网络传输性能。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其解决了现有技术中存在的网络传输性能不佳的问题。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：

第一步，构建具有多个网络节点的水声网络，在每个网络节点内建立并存储网络控制帧类型表；

第二步，源网络节点选取网络控制帧类型表中的任一网络控制帧后通过水声信道发送至目的网络节点；

第三步，目的网络节点将接收到的网络控制帧按照变长控制帧译码算法进行译码处理。

本发明进一步设置为：所述网络控制帧的帧格式包括顺次设置的公共域、专有域、校验位。

本发明进一步设置为：所述公共域包括帧类型、源地址、目的地址。

本发明进一步设置为：所述网络控制帧类型表配置有不同的网络控制帧，对应任一网络控制帧的配置信息包括帧类型、16进制表示、帧长、专有域信息长度、专有域信息参数。

本发明进一步设置为：所述帧类型包括RTS、CTS、ACK、RREQ、RREP。

本发明进一步设置为：所述校验位为公共域和专有域的数据经过循环冗余校验运算得到的结果，用于判断接收的网络控制帧是否正确。

本发明进一步设置为：所述第二步包括以下步骤：

（1）源网络节点根据网络协议类型和数据传输需求确定网络控制帧的帧类型；

（2）按照网络控制帧的帧格式和网络控制帧类型表的表内信息组建待发送的网络控制帧；

（3）待发送的网络控制帧经循环冗余校验运算添加校验位信息；

（4）将带有校验位信息的网络控制帧送给物理层进行编码处理后通过水声信道发送至目的网络节点。

本发明进一步设置为：所述变长控制帧译码算法包括如下步骤：

步骤1：根据网络控制帧类型表，获取最大帧长为N字节；

步骤2：将网络控制帧译码长度Q的初始值设置为最大帧长N；

步骤3：判断译码长度Q是否大于公共域长度，若是，则转到步骤4，否则转到步骤10；

步骤4：对网络控制帧进行通信译码处理，得到大小为Q字节的接收信号；

步骤5：将接收信号的前Q-1个字节的信息进行循环冗余校验运算，得到当前译码长度下的CRC校验信息为Y；

步骤6：将CRC校验信息Y与接收信号第Q个字节的数据信息进行比较，若不同，则转到步骤7，否则转到步骤8；

步骤7：将网络控制帧译码长度Q减1后，转到步骤3；

步骤8：提取接收信号的帧类型和帧长Q，将接收信号的帧类型和帧长Q与网络控制帧类型表中的数据信息进行对比，如果网络控制帧类型表中相对应网络控制帧的帧类型和帧长Q与接收信号的帧类型和帧长Q相同，则转到步骤9，否则转到步骤7；

步骤9：成功接收网络控制帧的数据信息；

步骤10：译码结束。

综上所述，本发明的有益技术效果为：本基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法根据不同网络控制帧的有效信息量，设计网络控制帧的帧长和译码算法，有利于缩短网络控制帧的传输时长，减小与其他网络控制帧信号碰撞的概率，有利于减小传输资源浪费，提高网络传输效率。

附图说明

图1是本发明中网络控制帧的帧格式图；

图2是本发明中变长控制帧译码算法的流程图；

图3是本发明中的实例传输场景图；

图4是本发明中固定长度网络控制帧的传输结果图；

图5是本发明中变化长度网络控制帧的传输结果图；

图6是本发明中节点1的RTS控制帧、节点2的RTS控制帧、节点3的CTS控制帧以及节点3的ACK控制帧的帧结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。

（一）实施过程

本发明提出了一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，所述传输方法包括以下步骤：

第一步，构建具有多个网络节点的水声网络，在每个网络节点内建立并存储网络控制帧类型表。

所述第一步中，网络控制帧类型表配置有不同的网络控制帧，对应任一网络控制帧的配置信息包括帧类型、16进制表示、帧长、专有域信息长度、专有域信息参数。

表1 网络控制帧类型表

如表1所示，本实施例中，网络控制帧的帧类型包括RTS、CTS、ACK、RREQ、RREP，如MACAW协议包括发送请求帧（RTS）、允许发送帧（CTS）、信息确认帧（ACK），DSR协议包括路由请求帧（RREQ）、路由回复帧（RREP）。

RTS控制帧的16进制表示为0x00，帧长为6字节，专有域信息长度为2字节，专有域信息参数包括数据长度、通信参数，其中数据长度和通信参数的数据大小均为1字节，且均采用16进制表示。

CTS控制帧的16进制表示为0x01，帧长为5字节，专有域信息长度为1字节，专有域信息参数包括信道质量电参数，信道质量电参数的数据大小为1字节，信道质量电参数采用16进制表示。

ACK控制帧的16进制表示为0x02，帧长为4字节，专有域信息长度为0字节，ACK控制帧不携带专有域信息参数。

RREQ控制帧的16进制表示为0x03，帧长为6~12字节，专有域信息长度为2~8字节，专有域信息参数包括序列号、路由大小、多个转发节点的通信地址，其中序列号是指源节点发向目的节点第几个RREQ控制帧，转发节点的最大数量为6，序列号、路由大小、转发节点通信地址的每个数据大小均为1字节，序列号、路由大小、转发节点通信地址的数据信息均采用16进制表示。

RREP控制帧的16进制表示为0x04，帧长为6~12字节，专有域信息长度为2~8字节，专有域信息参数包括序列号、下一跳地址、多个路由记录，其中序列号是指目的节点回复源节点的第几个RREP控制帧，路由记录的最大数量为6，序列号、下一跳地址、路由记录的每个数据大小均为1字节，序列号、下一跳地址、路由记录的数据信息均采用16进制表示。

第二步，源网络节点选取网络控制帧类型表中的任一网络控制帧后通过水声信道发送至目的网络节点。

所述第二步包括以下步骤：（1）源网络节点根据网络协议类型和数据传输需求确定网络控制帧的帧类型；（2）按照网络控制帧的帧格式和网络控制帧类型表的表内信息组建待发送的网络控制帧；（3）待发送的网络控制帧经循环冗余校验运算添加校验位信息；（4）将带有校验位信息的网络控制帧送给物理层进行编码处理后通过水声信道发送至目的网络节点。

如图1所示，所述第二步中，网络控制帧的帧格式包括顺次设置的公共域、专有域、校验位，公共域包括帧类型、源地址、目的地址，公共域中帧类型、源地址、目的地址的数据信息均采用16进制表示，且数据大小均为1字节，则公共域的数据大小为3字节。

RTS控制帧的专有域信息参数包括数据长度、通信参数，其中数据长度和通信参数的大小均为1字节，且均采用16进制表示；CTS控制帧的专有域信息参数包括信道质量电参数，信道质量电参数的大小均为1字节，信道质量电参数采用16进制表示；ACK控制帧没有专有域信息参数；RREQ控制帧的专有域信息参数包括序列号、路由大小、多个转发节点，转发节点的最大数量为6，序列号、路由大小、转发节点的数据信息均采用16进制表示；RREP控制帧的专有域信息参数包括序列号、下一条地址、多个路由记录，路由记录的最大数量为6，序列号、下一条地址、路由记录的数据信息均采用16进制表示。

校验位为公共域和专有域的数据经过循环冗余校验运算得到的结果，用于判断接收的网络控制帧是否正确，检验位的数据信息为为16进制表示，且大小为1字节。

所述第二步的（1）中，数据传输需求是指网络控制帧需要传输的数据信息，例如数据长度和通信参数的数据信息通过RTS控制帧进行传输，信道质量参数通过CTS控制帧进行传输。

所述第二步的（2）中，待发送的网络控制帧是指具有公共域和专有域数据信息的网络控制帧，组建待发送的网络控制帧是指按照帧格式形成具有帧类型、源地址、目的地址等数据信息的公共域、按照网络控制帧类型表的表内信息组建网络控制帧的专有域。

所述第二步的（3）中，第二步的前两个步骤已经组建出具有公共域和专有域数据信息的待发送网络控制帧，上述的待发送网络控制帧经循环冗余校验运算添加校验位信息后即可形成一个完整的网络控制帧。

所述第二步的（4）中，网络控制帧送给物理层进行编码处理、网络控制帧通过水声信道发送至目的网络节点为本领域的现有技术，在此不做赘述。

第三步，目的网络节点将接收到的网络控制帧按照变长控制帧译码算法进行译码处理。

如图2所示，所述变长控制帧译码算法包括如下步骤：

步骤1：根据网络控制帧类型表，获取最大帧长为N字节；

步骤2：将网络控制帧译码长度Q的初始值设置为最大帧长N；

步骤3：判断译码长度Q是否大于公共域长度，若是，则转到步骤4，否则转到步骤10；

步骤4：对网络控制帧进行通信译码处理，得到大小为Q字节的接收信号；

步骤5：将接收信号的前Q-1个字节的信息进行循环冗余校验运算，得到当前译码长度下的CRC校验信息为Y；

步骤6：将CRC校验信息Y与接收信号第Q个字节的数据信息进行比较，若不同，则转到步骤7，否则转到步骤8；

步骤7：将网络控制帧译码长度Q减1后，转到步骤3；

步骤8：提取接收信号的帧类型和帧长Q，将接收信号的帧类型和帧长Q与网络控制帧类型表中的数据信息进行对比，如果网络控制帧类型表中相对应网络控制帧的帧类型和帧长Q与接收信号的帧类型和帧长Q相同，则转到步骤9，否则转到步骤7；

步骤9：成功接收网络控制帧的数据信息；

步骤10：译码结束。

（二）仿真及网络控制帧实例传输结果

在“（一）实施过程”的基础上，通过对实例传输场景进行分析处理，得到固定长度网络控制帧的传输结果和变化长度网络控制帧的传输结果。

如图3所示，一种具体实例的网络拓扑图，包括节点1、节点2和节点3，节点1、节点2都需要向节点3发送数据，节点1与节点3之间传播时延τ₁₃为0.4s，发送数据大小为48个字节，节点2与节点3之间传播时延τ₂₃为0.5s，发送数据大小为64个字节。

本实施例中，数据发送采用MACAW协议，该协议的具体过程为：源节点在发送数据之前，先发出发送请求信号（RTS），目的节点接收RTS信号以后，回复允许发送信号（CTS），源节点收到CTS信号以后，发送数据，目的节点在成功接收数据以后，回复信息确认信号（ACK）。仿真过程中节点1发射RTS信号的时间为0s，节点2发射RTS信号的时间为1s。

如表1所示，由于不同类型的网络控制帧的专有域大小不同，所有网络控制帧的最大帧长为3+8+1=12字节。若网络控制帧均按照固定长度进行传输，则网络控制帧的长度为12字节，对应的时域信号长度为1.8s，而对于RTS信号，有效数据量只有6个字节。

如图4所示，网络控制帧按照固定长度进行传输的结果：节点1在0s发射RTS控制帧，RTS控制帧的传输时长为1.8s，节点3在0.4s~2.2s接收到该信号；节点2在1s发射RTS控制帧，RTS控制帧的传输时长为2s，节点3在1.5s~3.3s接收到该信号。

从图4可以看出，节点3接收节点1和节点2的RTS控制帧接收时间重叠，两者产生冲突，造成接收失败。此时节点1和节点2需要退避一定时间后重新发送RTS控制帧，这增大了网络传输时延，影响了网络传输效率。

如图6所示，按照本发明所提传输方法中网络控制帧大小按照信息量自适应变化，RTS控制帧大小为6个字节，对应3个公共域字节，2个专用域字节，1个校验位字节；CTS控制帧大小为5个字节，对应3个公共域字节，1个专用域字节，1个校验位字节；ACK控制帧大小为4个字节，对应3个公共域字节，0个专用域字节，1个校验位字节。

在图3的实例传输场景下，节点1和节点2需要发送的网络控制帧格式定义为：图中RTS控制帧只有6个字节，相对于图4中固定长度的RTS控制帧，其时长减小一半，为0.9s，但其传输的有效信息量并未改变。CTS和ACK的控制帧字节数更小，对应的时长更短，分别为0.75s和0.6s。

如图5所示，网络控制帧按照变化长度进行传输的结果：节点1在0s发射RTS控制帧，控制帧时长为0.9s，节点3在0.4s~1.3s接收到该信号；节点2在1s发射RTS控制帧，控制帧时长为0.9s，节点3在1.5s~2.4s接收到该信号。

从图5可以看出，节点3接收节点1和节点2的RTS控制帧接收时间没有重叠，则节点1和节点2的RTS控制帧均被成功接收。

如图6所示，RTS控制帧被成功接收后，节点3按照变长控制帧译码算法对节点1和节点2的RTS控制帧进行译码，译码成功时RTS控制帧的译码长度Q=6。

如图6所示，节点3先接收节点1数据，向节点1回复CTS控制帧，字节数为5字节，节点1按照变长控制帧译码算法对CTS控制帧进行译码，译码成功时CTS控制帧的译码长度Q=5。之后节点1发送48个字节的数据，节点3成功接收后，回复4个字节的ACK控制帧，节点1成功接收ACK控制帧后，节点1的传输过程完成。

如图6所示，节点3接收节点2数据，向节点2回复CTS控制帧，字节数为5字节，节点2按照变长控制帧译码算法对CTS控制帧进行译码，译码成功时CTS控制帧的译码长度Q=5。之后节点2发送64个字节的数据，节点3成功接收后，回复4个字节的ACK控制帧，节点2成功接收ACK控制帧后，节点2的传输过程完成。

本基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法根据不同网络控制帧的有效信息量，设计网络控制帧的帧长和译码算法，有利于缩短网络控制帧的传输时长，减小与其他网络控制帧信号碰撞的概率，有利于减小传输资源浪费，提高网络传输效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：

第一步，构建具有多个网络节点的水声网络，在每个网络节点内建立并存储网络控制帧类型表；

第二步，源网络节点选取网络控制帧类型表中的任一网络控制帧后通过水声信道发送至目的网络节点；

第三步，目的网络节点将接收到的网络控制帧按照变长控制帧译码算法进行译码处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述网络控制帧的帧格式包括顺次设置的公共域、专有域、校验位。

3.根据权利要求2所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述公共域包括帧类型、源地址、目的地址。

4.根据权利要求2所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述网络控制帧类型表配置有不同的网络控制帧，对应任一网络控制帧的配置信息包括帧类型、16进制表示、帧长、专有域信息长度、专有域信息参数。

5.根据权利要求4所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述帧类型包括RTS、CTS、ACK、RREQ、RREP。

6.根据权利要求2所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述校验位为公共域和专有域的数据经过循环冗余校验运算得到的结果，用于判断接收的网络控制帧是否正确。

7.根据权利要求1所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述第二步包括以下步骤：

（1）源网络节点根据网络协议类型和数据传输需求确定网络控制帧的帧类型；

（2）按照网络控制帧的帧格式和网络控制帧类型表的表内信息组建待发送的网络控制帧；

（3）待发送的网络控制帧经循环冗余校验运算添加校验位信息；

（4）将带有校验位信息的网络控制帧送给物理层进行编码处理后通过水声信道发送至目的网络节点。

8.根据权利要求1所述的一种基于信息量自适应的水声网络控制帧传输方法，其特征在于，所述变长控制帧译码算法包括如下步骤：

步骤1：根据网络控制帧类型表，获取最大帧长为N字节；

步骤2：将网络控制帧译码长度Q的初始值设置为最大帧长N；

步骤3：判断译码长度Q是否大于公共域长度，若是，则转到步骤4，否则转到步骤10；

步骤4：对网络控制帧进行通信译码处理，得到大小为Q字节的接收信号；

步骤5：将接收信号的前Q-1个字节的信息进行循环冗余校验运算，得到当前译码长度下的CRC校验信息为Y；

步骤6：将CRC校验信息Y与接收信号第Q个字节的数据信息进行比较，若不同，则转到步骤7，否则转到步骤8；

步骤7：将网络控制帧译码长度Q减1后，转到步骤3；

步骤8：提取接收信号的帧类型和帧长Q，将接收信号的帧类型和帧长Q与网络控制帧类型表中的数据信息进行对比，如果网络控制帧类型表中相对应网络控制帧的帧类型和帧长Q与接收信号的帧类型和帧长Q相同，则转到步骤9，否则转到步骤7；

步骤9：成功接收网络控制帧的数据信息；

步骤10：译码结束。

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