CN116056091B

CN116056091B - 一种海上多移动平台通信组网方法

Info

Publication number: CN116056091B
Application number: CN202310323096.4A
Authority: CN
Inventors: 张江梅; 王枭; 关佳月; 王坤朋; 刘灏霖; 张草林
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2043-03-30
Also published as: CN116056091A

Abstract

本发明提供一种海上多移动平台通信组网方法，属于水域通信组网技术领域，解决了TDMA方式中固定时隙分配接入技术中传输延迟大的问题；包括：S1、节点完成初始化过程；S2、进行频谱感知过程，将宽带频谱划分为N个子信道，根据子信道之间的相关性，采用基于密度的聚类算法，对信道聚类并估计信道簇的占用状态，选择出空闲信道；S3、进行空闲信道排序，按照排序结果进行动态时隙分配或释放过程；S4、根据动态时隙分配结果，节点跳转至决策频段，完成通信组网过程，进行通信；本发明通过在频率范围内采集频谱数据，采用频谱感知方式选择空闲信道进行网络广播，确定决策频段，实现海上多移动平台的通信组网。

Description

一种海上多移动平台通信组网方法

技术领域

本发明属于水域通信组网技术领域，应用于海上多移动平台的通信组网过程中，具体为一种海上多移动平台通信组网方法。

背景技术

在海上组网通信过程中，各终端监测信息传输节点，会受到海浪等水体遮挡和波浪运动的影响，导致其通信距离和链路传输稳定性急剧降低；随着水流推动及自身动力的驱动，海上移动平台会沿航迹不断移动，导致整个监测网络拓扑动态变化下的节点难以快速接入。

由于传统的无线传输系统极易受到信道占用的干扰，而自组网技术可以通过频谱感知，自适应的感知空间信道，选择空闲信道进行网络广播，快速建立无线传输链路，选择决策频段进行网络传输；这些过程中，由不同信道引发的接入冲突是导致信道资源无法被充分利用的主要因素之一。因此，合理高效的信道接入策略是影响海上移动平台通信组网性能的关键；同时，为了避免冲突和拥塞，解决固定时隙分配接入（即TDMA）技术延迟大的问题，需要开展基于动态时隙分配的海上通信组网方法研究，以达到提高信道利用率的目标。

现有技术中，主要采用的信道管理协议有三种接入方式，分别为频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）。FDMA方式的设备成本高、频率管理繁琐、利用率低、动态分配和调整的能力差，因此不适用于自组织通信网络；CDMA方式虽然具有较大的网络容量和接入效率，但其技术本身的实现难度较大，成本较高，易受到多窄带干扰，导致系统性能恶化，甚至无法达到实用要求；同时，CDMA方式还存在远近效应问题，需进行严格的功率控制，面对海上移动平台的无中心、分布式自组织通信网络时，很难实现有效的功率控制策略，来完全解决远近效应问题。TDMA方式在接入传统网络中的应用时，由控制中心统一调度资源，有利于实现比较高效的时隙分配过程；但在自组织通信网络中，由于网络的分布式和信道多跳共享的特性，需要进行时隙的空间复用，来提高网络的无线资源利用率。

目前，固定分配的方式由于无法利用这种空间复用性，因此信道利用率非常低，尤其是当通信网络规模较大，负载较重时。由于自组织网络拓扑结构的可变性，有效的进行时隙动态分配过程也面临着巨大挑战；动态分配方式是根据用户信号传输需求变化，来进行通信资源的分配；这种分配方式由于能适应信号的传输需求，因此能够高效的利用通信资源。

自组织网络特殊的信道共享方式和网络结构，没有专门的中心节点来执行时隙分配，在固定的TDMA协议中，每个节点所分配的时隙都必须是唯一且固定的，网络中有多少个节点就必须有多少个时隙。因此，随着通信网络的增大，时隙数目必须相应增多，在确定的总带宽条件限制下，每个节点占用的带宽就越少，导致传输延迟变的很大，这种情况明显是不理想的，同时也限制了整个通信网络的容量。

发明内容

本发明的目的是解决TDMA方式中，固定时隙分配接入技术存在的传输延迟大的问题，同时针对自组织网络的分布式和信道多跳共享特性，根据信道的空闲占用状态，进行时隙动态分配，从而提高通信网络的无线资源利用率；本发明通过在频率范围内采集空间无线频谱环境数据，根据信道感知信息，采用频谱感知方式选择空闲信道进行网络广播，确定决策频段，从而构建海上多移动平台的无线传输链路。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种海上多移动平台通信组网方法，包括如下步骤：

S1、通信系统开机后，海上多移动平台的各个节点完成初始化过程；

S2、采集空间无线频谱环境数据，进行频谱感知过程，将宽带频谱划分为N个子信道，根据子信道之间的相关性，采用基于密度的聚类算法，对信道聚类并估计信道簇的占用状态，从而选择出空闲信道；

S3、将频谱感知过程选择的空闲信道的空闲状态概率按照由高到低的顺序进行排序，各个节点按照排序结果，检测空闲信道，并在第一时间接入，同时分配动态时隙；

S4、根据动态时隙的分配结果，海上多移动平台的各个节点跳转至决策频段，从而完成通信组网过程，进行通信。

进一步的，所述S2中，判断空间无线频谱环境数据是否在设定的频率范围内，若判断为超出设定的频率范围，则进行空间无线频谱环境数据的重新采集；当空间无线频谱环境数据采集并判断完成后，各个节点根据信道感知信息，通过默认信道进行网络广播。

进一步的，所述S3中，将空闲信道的空闲状态概率按照由高到低的顺序进行排序，根据排序结果进行动态时隙分配或释放过程；所述动态时隙分配或释放过程，具体为：

对空闲状态概率过高的空闲信道，释放掉一定时隙或解除占用状态；

对空闲状态概率过低的空闲信道，补充额外的时隙，调取更多的资源。

进一步的，所述的海上多移动平台，其中的立体组网节点体系包括：网络接入协调节点、水面中继节点和水下网络节点；立体组网节点体系的组网过程为：

A1、水下传感器网络层收集数据信息，使水下网络节点完成自组网过程，水下网络节点的采集数据通过多跳通信进行数据传输，再通过感知信道向水面中继节点进行数据传输；

A2、水面中继节点与水下网络节点之间的传输过程，采用多收发方式相配合，完成采集数据的通信传输；水面中继节点同时与网络接入协调节点和水下网络节点建立相互通道，通过报告信道，向网络接入协调节点报告各通信信道的占用情况；

A3、网络接入协调节点依照频谱感知过程的内容，判断各通信信道的状态，调整时隙分配；当有新的网络节点需加入网络时，由默认信道向网络广播自身的存在，接收分配动态时隙，并在组网通信结束后退出占用状态。

进一步的，立体组网节点体系中，已有的节点群组通信网络由各个节点自发地组织，将采集的信息、态势感知及数据指令消息相互传递共享；每一个节点均作为终端节点和路由节点，均可自由入网和退网。

进一步的，各个节点通过弹性可靠传输方式进行数据传输，在弹性可靠传输过程中，增加网络节点存储功能；在传输时，数据发送方缓存数据，直到确认传输完成；当传输路径中断时，存储数据，直到传输路径恢复。

进一步的，所述S2中，所述频谱感知过程，具体包括如下步骤：

S21、将所需频段的宽带频谱划分为N个子信道，子信道按照1、2、3...

的顺序进行编号；

S22、根据信道之间的相关性，采用基于密度的聚类算法，对信道聚类，并估计信道簇的占用状态，对每个信道簇选择一个检测信道，进行频谱感知，并对同簇的其他信道状态进行估计，得出整个宽带频谱的使用状态；

S23、选择信道簇中的空闲信道，采用模型预测未来多个时刻的占用状态，减少直接预测的信道数量；并依据多步预测结果，若其中某步的预测结果为占用，则在该时隙前搜索其它信道再次进行预测，并在下一时隙切换到感知结果为空闲的信道。

进一步的，所述S3中，所述分配动态时隙具体为：依据查询的空闲信道信息，进行空闲状态概率计算，计算结果为自然顺序下的

；将空闲状态概率从高到低进行排列，重新排序后的结果为/>

；依据排序后的结果，各个节点按降序检测信道，并在第一时间接入，同时分配动态时隙或释放空闲状态下占用的时隙。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

本发明的方法使自组网的海上多移动平台通过频谱感知方式，自适应感知空间信道，以避免信道占用的干扰，提高信道的利用率；同时适应不断发生变化的海上网络拓扑结构，避免了可能出现的冲突，如节点互相干扰，空闲节点与有业务节点的转换；还能适应突发的流量和短暂的拥塞，在一定程度上避免全局同步，从而减少数据包丢失率。

与传统技术相比，传统宽带频谱感知仅预测下一时隙的信道状态，在每次数据发送前都要进行频谱预测和感知，需要消耗大量的时间和资源；而本发明通过信道聚类和多步预测，能够减小频谱感知带宽和节省预测时间，提升了海上多移动平台通信速度与可靠性。

本发明的方法中，在移动节点组网通信时，增加了网络节点存储功能，能够减少重复传输，降低通信负担与响应时延；同时根据空闲信道占用情况进行概率排序，根据信号传输需求变化来进行通信资源的分配，避免了海上组网节点接入的冲突和拥塞，解决了固定时隙分配接入技术延迟大的问题。

附图说明

图1为本发明的方法的流程示意图；

图2为海上多移动平台节点数据的传输示意图；

图3为频谱感知过程的流程示意图；

图4为动态时隙分配过程的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

一种海上多移动平台通信组网方法，方法步骤详述如下，可同时参看图1的示意：

S1、通信系统开机后，进行节点网络初始化；通信系统中的网络节点为海上多移动平台，在此步骤中，海上多移动平台的各个节点完成初始化过程。

在上述步骤S1中，各个节点完成初始化过程，具体包括如下步骤：

S11、节点开机进入网络初始化过程，主从节点根据自身编号，进行内部参数的初始化设置，包括总线接口的初始化，数据信息，反馈信息的初始化，外设的初始化等；

S12、主节点采用握手机制，对网络中各个从节点的注册登记，形成网络拓扑；其中主节点开机后，向各个从节点发出握手请求包，各个从节点在受到请求后，以应答包进行回应；

S13、当主节点收到各个从节点的应答，完成注册后，通过测距方式完成路由选择，形成路由表，保存路由表直至本次网络通信的完成或退出；

S14、主节点作为整个网络的中心节点，其自身包含一些异常处理机制，用以在当网络初始化过程中出现错误时，进入软重启模式，避免网络初始化过程瘫痪。

S2、采集空间无线频谱环境数据，进行频谱感知过程，将宽带频谱划分为N个子信道，根据子信道之间的相关性，采用基于密度的聚类算法，对信道聚类并估计信道簇的占用状态，从而选择出空闲信道。

在上述步骤S2中，判断空间无线频谱环境数据是否在设定的频率范围内，若判断为超出设定的频率范围，则进行空间无线频谱环境数据的重新采集；当空间无线频谱环境数据采集并判断完成后，通信系统中的各个主从节点根据信道感知信息，通过默认信道进行网络广播。

S3、将频谱感知过程选择的空闲信道的空闲状态概率按照由高到低的顺序进行排序，各个节点按照排序结果，检测空闲信道，并在第一时间接入，同时分配动态时隙。

在上述步骤S3中，进行信道的信息查询，确定信道是否存在空闲状态，并将空闲信道的空闲状态概率按照由高到低的顺序进行降序排序，根据排序结果进行动态时隙分配或释放过程；动态时隙分配或释放过程，具体为：

通过上述步骤S1至S4的过程，即可完成海上多移动平台的通信组网，从而提高通信网络的无线资源利用率。

本实施例中，如图2所示，海上多移动平台中的立体组网节点体系包括：网络接入协调节点、水面中继节点和水下网络节点；立体组网节点体系的组网过程为：

在立体组网节点体系中，已有的节点群组通信网络，并非完全依赖地面控制站，而是由各个节点自发地组织起通信网络，将采集的信息、态势感知及数据指令消息相互传递共享；在该自组织网络中，没有中心控制节点，每一个节点均作为终端节点和路由节点，均可自由入网和退网。

本实施例中，各个节点通过弹性可靠传输方式进行数据传输，在弹性可靠传输过程中，增加网络节点存储功能；在传输时，数据发送方缓存其发送的数据，直到确认传输完成；当传输路径中断时，存储数据，直到传输路径恢复。

本实施例中，如图3所示，在前述步骤S2中的频谱感知过程，具体包括如下步骤：

的顺序进行编号；依据感知带宽和感知精度要求，将宽带频谱平均划分为多个测量子信道；在总带宽确定的情况下，若感知带宽要求大，但感知精度要求低，则可划分为第一数量的子信道，若感知带宽要求大，且感知精度要求高，则可划分为第二数量的子信道；上述划分方式中的第一数量的子信道个数低于第二数量的子信道个数；

S23、选择信道簇中的空闲信道，采用模型预测未来多个时刻的占用状态，减少直接预测的信道数量；并依据多步预测结果，若其中某步的预测结果为占用，则在该时隙前搜索其它信道再次进行预测，并在下一时隙切换到感知结果为空闲的信道；图3中频谱感知的信道数量大小关系为：N ₁>N ₂。

本实施例中，如图4所示，在前述步骤S3中，分配动态时隙具体为：依据查询的空闲信道信息，进行空闲状态概率计算，计算结果为自然顺序下的

；之后将空闲状态概率从高到低进行排列，重新排序后的结果为/>

；依据此排序后的结果，各个节点按降序检测信道，并在第一时间接入，同时，网络接入协调节点分配动态时隙或释放空闲状态下占用的时隙。/>

Claims

1.一种海上多移动平台通信组网方法，其特征在于，所述海上多移动平台，其中的立体组网节点体系包括：网络接入协调节点、水面中继节点和水下网络节点；立体组网节点体系的组网过程为：

A3、网络接入协调节点依照频谱感知过程的内容，判断各通信信道的状态，调整时隙分配；当有新的网络节点需加入网络时，由默认信道向网络广播自身的存在，接收分配动态时隙，并在组网通信结束后退出占用状态；

在所述立体组网节点体系中，已有的节点群组通信网络由各个节点自发地组织，将采集的信息、态势感知及数据指令消息相互传递共享；每一个节点均作为终端节点和路由节点，均可自由入网和退网；各个节点通过弹性可靠传输方式进行数据传输，在弹性可靠传输过程中，增加网络节点存储功能；在传输时，数据发送方缓存数据，直到确认传输完成；当传输路径中断时，存储数据，直到传输路径恢复；

所述通信组网方法，具体包括如下步骤：

S4、根据动态时隙的分配结果，海上多移动平台的各个节点跳转至决策频段，从而完成通信组网过程，进行通信；

所述S2中，所述频谱感知过程，具体包括如下步骤：

S21、将所需频段的宽带频谱划分为N个子信道，子信道按照1、2、3...的顺序进行编号；

S23、选择信道簇中的空闲信道，采用模型预测未来多个时刻的占用状态，减少直接预测的信道数量；并依据多步预测结果，若其中某步的预测结果为占用，则在该时隙前搜索其它信道再次进行预测，并在下一时隙切换到感知结果为空闲的信道；

所述S3中，所述分配动态时隙具体为：依据查询的空闲信道信息，进行空闲状态概率计算，计算结果为自然顺序下的

2.根据权利要求1所述的一种海上多移动平台通信组网方法，其特征在于，所述S1中，各个节点完成初始化过程，具体包括如下步骤：

S11、节点开机进入网络初始化过程，主从节点根据自身编号，进行内部参数的初始化设置；

S14、主节点作为整个网络的中心节点，当网络初始化过程中出现错误时，进入软重启模式，避免网络初始化过程瘫痪。

3.根据权利要求1所述的一种海上多移动平台通信组网方法，其特征在于：所述S2中，判断空间无线频谱环境数据是否在设定的频率范围内，若判断为超出设定的频率范围，则进行空间无线频谱环境数据的重新采集；当空间无线频谱环境数据采集并判断完成后，各个节点根据信道感知信息，通过默认信道进行网络广播。

4.根据权利要求3所述的一种海上多移动平台通信组网方法，其特征在于：所述S3中，将空闲信道的空闲状态概率按照由高到低的顺序进行排序，根据排序结果进行动态时隙分配或释放过程；所述动态时隙分配或释放过程，具体为：

5.根据权利要求1所述的一种海上多移动平台通信组网方法，其特征在于：所述S21中，依据感知带宽和感知精度要求，将宽带频谱平均划分为多个测量子信道；在总带宽确定的情况下，若感知带宽要求大，但感知精度要求低，则可划分为第一数量的子信道，若感知带宽要求大，且感知精度要求高，则可划分为第二数量的子信道；所述第一数量的子信道个数低于所述第二数量的子信道个数。