CN116963286A - 面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 - Google Patents
面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116963286A CN116963286A CN202310799904.4A CN202310799904A CN116963286A CN 116963286 A CN116963286 A CN 116963286A CN 202310799904 A CN202310799904 A CN 202310799904A CN 116963286 A CN116963286 A CN 116963286A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- uuv
- node
- packet
- data
- cluster
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 88
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 65
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 101100083446 Danio rerio plekhh1 gene Proteins 0.000 claims description 38
- 101100129500 Caenorhabditis elegans max-2 gene Proteins 0.000 claims description 29
- 108700026140 MAC combination Proteins 0.000 claims description 14
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 claims description 13
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 8
- 230000006854 communication Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 101100172132 Mus musculus Eif3a gene Proteins 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005059 dormancy Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法。现有的媒体接入控制协议无法较好适配UUV集群协同进行环境观测的场景。本发明方法首先由UUV集群中的主节点广播探测包，以完成网络拓扑的建立和维护；然后水面汇聚节点通过与UUV集群进行控制包的交互完成对UUV集群各节点的传播时延估计，并根据传播时延估计信息调度集群各节点发送数据包的时间；UUV集群通过复用集群与水面汇聚节点通信时的长传播时延，完成内部的协同控制过程。本发明方法适用于UUV集群协同进行环境观测任务的工作场景，集群通过长传播时延进行协同控制，避免协同控制过程对数据传输过程的干扰，提升水声传感网络中所提协议的相关性能。
Description
技术领域
本发明属于无线网络组网技术领域，特别是水声传感网络中媒体接入控制(MediaAccess Control,MAC)协议领域，具体设计一种面向UUV(Unmanned underwater vehicle，水下无人潜航器)集群环境观测的水声传感网络媒体接入控制方法。
背景技术
近年来，我国在海洋开发应用方面开展了大量研究，其中包括环境观测、目标探测、导航定位以及灾难预防等。然而，这些实现都依赖于水声传感网络的支持。水声传感网络通常采用声波进行通信，水声信道具有传播时延长、带宽受限、丢包率高等特性，这为设计与开发水声传感网络MAC协议带来了诸多挑战。
MAC协议是一种媒体访问控制协议，用于控制多个设备在共享媒体(如水声传感网络)上传输数据的方式和时间。MAC协议主要用于解决多个设备同时发送数据时可能发生的冲突问题，以及在共享媒体上分配传输资源的问题。常见MAC协议包括基于竞争思想的ALOHA、FAMA协议和基于无竞争思想的TDMA、FDMA、CDMA协议等。在环境观测型应用的水声传感网络中，MAC协议的设计与开发是保证环境观测型数据传输效率和可靠性的关键技术。
在现有的水声传感网络MAC协议中，还有一些其他的方法和技术。例如，基于时空编码的MAC协议实现多路径传输，可以提高网络的可靠性和吞吐量；基于预编码的MAC协议可以减少节点之间的冲突，提高数据传输效率；基于协作通信的MAC协议，可以有效地抵抗信道噪声和多径干扰，提高数据传输的可靠性。此外，还有如基于深度学习的MAC协议等新兴技术，可以通过学习网络拓扑结构和信道质量等因素，实现更智能的数据传输和调度，提高网络的性能和可靠性。
申请号为202211471729.8的发明专利使用智能超表面技术辅助水声网络数据传输，通过AUV前往能量空洞中继转发信息，实现多个信息的同时转发。其局限性在于需要事先对数据进行处理，增加了一定的计算和传输成本。
申请号为202210892579.1的发明专利考虑到水声传感网络的能耗问题，提出了一种节点休眠唤醒调度方法。其局限性在于未考虑节点间传输距离和网络拓扑结构变化的因素。
申请号为201811151701.X的发明专利提出了一种多用户水声传感网络大容量协作传输方法，该方法根据重构误差选择合适的协作中继数目，实现了多用户水声传感网络大容量协作传输。其局限性在于中继节点采用平均功率分配的方式，可能会导致功率浪费和信号干扰，影响传输效率。
申请号为201810327852.X的发明专利提出了一种基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法，其局限性在于方法的效果可能会受到网络拓扑结构、信道质量、节点数量等因素的影响，需要根据实际情况进行调整和优化。
综上可知，现有的水声传感网络中媒体接入控制技术在网络拓扑动态变化的情况下仍存在许多问题。一方面，传统的媒体接入控制技术如ALOHA、CSMA等存在竞争问题，难以适应高负载场景下的数据传输需求，容易导致网络拥塞和数据包丢失。另一方面，基于时隙的媒体接入控制技术如TDMA、FDMA等需要进行复杂的时隙分配和频率分配，难以适应UUV集群协同作业的工作场景。因此，亟需设计一种新的水声传感网络媒体接入控制技术，以应对复杂的UUV集群环境观测的应用场景，提高数据传输效率和可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对现有水声传感网络MAC协议在面向UUV集群协同进行环境观测应用性能表现不良好的情况，提出一种面向UUV集群环境观测的水声传感网络媒体接入控制方法。
本发明采用基于调度方式的MAC协议，首先由UUV集群中的主UUV节点广播控制包，通知并邀请其通信范围内的节点接入网络；水面汇聚节点收到该主UUV节点广播控制包后，水面汇聚节点广播控制包邀请UUV节点向其传输环境观测数据；UUV节点在收到汇聚节点发送的控制包后，若有数据需要传输，则发送控制包请求接入信道以传输数据，同时集群利用自身与汇聚节点通信的长传播时延完成协同控制过程；通过估算传播时延，水面汇聚节点调度UUV节点依次发送数据包，较好地解决了由UUV集群移动与传输数据而引发的数据冲突问题，在一定程度上提高了网络吞吐量，保证了节点传输的公平性。
本发明方法具体步骤是：
步骤(1)、建立水声传感网络拓扑：
水声传感网络由一个UUV集群和m个水面汇聚节点组成，m≥1，UUV集群由多个UUV节点组成，其中一个为主UUV节点，其他为从UUV节点。
UUV节点与水面汇聚节点初始处于空闲状态，当周期性环境观测任务触发后，UUV集群中的主UUV节点首先广播探测包，用以维护水声传感网络中节点连接的稳定性和可靠性，探测包由探测包标志位、发送节点地址、邀请发送包初始最大等待时间τmax1、确认包初始最大等待时间τmax2和结束位组成。其中τmax1为水面汇聚节点与UUV集群之间的最大传输时延，τmax2为UUV集群内部从UUV节点到主UUV节点的最大传输时延。分别设置为 其中Rmax1为水面汇聚节点与UUV集群间的最大距离，Rmax2为从UUV与主UUV间的最大距离，c为等效声速。
UUV集群中的从UUV节点接收到探测包后，在[0,τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_ACK，在等待TWT_ACK后回复确认包，完成网络拓扑的建立和维护过程。
步骤(2)、邀请传输：
水面汇聚节点接收到探测包后，在[0,τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_RTS，等待TWT_RTS后广播邀请发送包，邀请UUV集群进行环境观测数据的上传。
步骤(3)、响应请求：
UUV节点ux在接收到水面汇聚节点发送的邀请发送包后，若有环境观测数据等待传输，则在[0，τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_REQ,x，等待TWT_REQ,x后，发送请求包请求接入信道并传输数据，UUV节点ux完成请求包发送后，执行步骤(5)；UUV节点ux若无环境观测数据待传输，直接执行步骤(5)。
步骤(4)、广播调度：
水面汇聚节点接收到来自UUV集群的请求包后，根据邀请发送包的发送时刻tS_RTS、请求包的接收时刻tR_REQ,x与请求包中包含的UUV节点ux等待发送请求包的时间tWT_REQ,x，估算出水面汇聚节点与UUV节点ux之间的传播时延θ为一个控制包的传输时长，所述的控制包为探测包、确认包、邀请发送包、请求包、调度包、状态信息包或控制信息包。
超过设定的时间后，水面汇聚节点不再接收请求包。此时，水面汇聚节点按照估算的自身与UUV集群各节点之间的传播时延递增顺序，安排各节点的数据包到达顺序表。即，若水面汇聚节点到达UUV集群中UUV节点ui、uj、…、uk节点的传播时延τi＜τj＜…＜τk，则节点数据包的到达顺序表为{i→j→…→k}。为补偿UUV集群移动所造成的传播时延变化，在数据包之间引入保护间隔Tguard，设置ux的保护间隔时长vuuv,x为UUV集群中UUV节点ux的移动速度，τsink,x为水面汇聚节点与UUV节点ux之间的传播时延，x∈{i,j,…,k}。
为降低UUV节点发送的数据包在水面汇聚节点处的碰撞概率，水面汇聚节点需调度UUV节点发送数据包的时间，即UUV节点ux需等待TWT_DATA,x时间后，发送数据包，其中，/>为UUV节点ux-1待发送的数据包个数，δ为一个数据包的传输时长。由于TWT_DATA,x最小为0，且迭代计算TWT_DATA,x值。因此，若时延最小的节点为ui，则ui等待发送数据包的时间为0，即TWT_DATA,i＝0。
在完成对UUV集群各节点数据包等待发送时间的计算后，水面汇聚节点将UUV各个节点的数据包等待发送信息包含在调度包中广播出去。调度包由标志位、接收节点地址、相应的节点等待发送数据包时间TWT_DATA,x和结束位组成。水面汇聚节点广播调度包后启动WF_DATA定时器，进入WF_DATA状态，等待接收来自UUV集群的数据包。设置定时器时长
步骤(5)、协同信息发送：
UUV集群的从UUV节点若已完成请求包发送，则在[0，τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE；否则在[τmax1+θ，τmax1+τmax2+θ]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE，在等待TWT_STATE后，向主UUV节点发送状态信息包。随后启动WF_ORDER定时器。从UUV节点uy的WF_ORDER定时器时长TWF_ORDER_timer设置为TWF_ORDER_timer,y＝3τmax1+θ-TWT_STATE,y。
UUV集群主UUV节点完成请求包发送后，启动WF_STATE定时器，等待来自从UUV节点的状态信息包。设置WF_STATE定时器的时长TWF_STATE_timer＝τmax1+2τmax2+2θ。在WF_STATE定时器超时后，主UUV节点启动WF_ORDER定时器，等待接收来自水面汇聚节点的调度包。设置WF_ORDER定时器时长TWF_ORDER_timer＝3τmax1+2θ-TWF_STATE_timer。
步骤(6)、数据传输：
当集群各节点的WF_ORDER定时器未超时，UUV集群各节点接收到调度包后，根据调度包中TWT_DATA信息，调整自身数据包发送时间，以完成环境观测数据上报的任务。
步骤(7)、协同控制：
主UUV节点完成数据包发送后，为避免数据冲突的产生，需等待UUV集群中的从UUV节点完成数据包的上传后，向从UUV节点发送控制信息包，实现对从UUV设备的控制。
主UUV节点根据调度包中最大的TWT_DATA_MAX，选择等待TWT_CONTROL后广播控制信息包。其中之后主UUV节点进入WF_ACK状态，启动WF_ACK定时器，等待接收来自相应节点的确认包。主UUV节点的WF_ACK定时器时长TWF_ACK_timer设置为TWF_ACK_timer＝max(3τmax1+2θ-TWT_CONTROL，3τmax2+2θ)。从UUV节点接收到控制信息包后，会回复相应确认包，同时启动WF_ACK定时器，等待接收水面汇聚节点广播的确认包。/>为UUV节点待发送的数据包最大个数值，z为主UUV节点uz的标号。
步骤(8)、传输确认：
在TWF_DATA_timer定时器超时后，水面汇聚节点将根据接收到的数据包情况广播确认包，完成对UUV节点环境观测数据接收的确认。为避免发送的确认包与主UUV节点发送的控制信息包产生冲突，水面汇聚节点在WF_DATA定时器超时后会等待τmax2，再进行确认包的发送。完成发送后，水面汇聚节点本轮环境观测任务已完成，进入空闲状态。UUV节点根据接收确认包的情况，判断数据传输情况，本轮未成功接收的数据将在下轮重传。
本发明考虑了UUV集群协同进行环境观测的场景，针对传统MAC协议在该场景下性能退化的问题，提出了一种面向UUV集群环境观测的MAC协议，通过引入保护间隔，降低了节点移动对通信过程的影响；通过利用集群与汇聚节点间的长传播时延进行集群主从UUV节点间的协同信息交互，避免了协同控制过程对数据调度与传输过程的干扰。与传统的协议相比，本发明在网络吞吐量、数据包端到端时延、数据包平均能耗与节点公平性方面性能均有提高。
附图说明
图1为UUV集群环境在观测场景下的网络拓扑示意图；
图2为正常工作时协议的工作时序图；
图3为水面汇聚节点状态转移图；
图4为UUV集群主UUV节点状态转移图；
图5为UUV集群从UUV节点状态转移图；
图6为控制包和数据包格式图。
具体实施方式
一种面向UUV集群环境观测方式的水声传感网络媒体接入控制方法，协议应用场景如图1所示，正常工作时的协议流程如图2所示。具体通过以下步骤实现：
步骤(1)网络初始化：
图1所示的UUV集群协同进行环境观测的场景中，传感节点A0、A1、A2是移动的UUV节点，其中A0为主UUV节点，A1、A2为从UUV节点，位于水面的汇聚节点S是固定节点。水面汇聚节点和UUV集群中的主UUV节点、从UUV节点分别按图3、图4和图5所示进行状态转移，相应的状态转移图事件及其说明分别如表1、表2和表3所示。
表1，水面汇聚节点状态转移图事件及说明
| 事件符号 | 事件说明 |
| C1 | 接收到HELLO包，完成RTS包发送，启动WF_REQ定时器 |
| C2 | 接收到REQ包，且WF_REQ定时器未超时 |
| C3 | 接收到REQ包，且WF_REQ定时器超时，完成ORDER包发送 |
| C4 | 未收到REQ包，且WF_REQ定时器超时 |
| C5 | 接收到DATA包，且WF_DATA定时器未超时 |
| C6 | 未收到DATA包，且WF_DATA定时器超时 |
| C7 | 完成DATA包接收，等待发送ACK包 |
| C8 | 完成发送ACK包，进入IDLE状态 |
表2，UUV集群主UUV节点状态转移图事件及说明
表3，UUV集群从UUV节点状态转移图事件及说明
MAC协议的工作时序如图2所示，节点含义与图1一致。UUV集群环境观测数据收集任务是周期性触发的，UUV集群各节点与水面汇聚节点初始处于IDLE(空闲)状态，当周期性环境观测任务触发后，主UUV节点首先广播HELLO(探测)包，用以维护网络拓扑，并邀请水面汇聚节点接入网络。HELLO包的格式如图6(a)所示，由HELLO包标志位、发送节点地址、RTS(邀请发送)包初始最大等待时间τmax1、ACK(确认)包初始最大等待时间τmax2与结束位组成。其中τmax1为水面汇聚节点与UUV集群之间的最大传输时延，τmax2为UUV集群内部从UUV到主UUV的最大传输时延。分别设置为
主UUV节点完成HELLO包发送后，进入WF_RTS状态，启动WF_RTS定时器，等待接收水面汇聚节点的RTS包。此时，WF_RTS定时器时长TWF_RTS_timer设置为TWF_RTS_timer＝3τmax1+2θ。
若WF_RTS定时器超时，主UUV节点仍未收到来自水面汇聚节点的RTS包，则表明UUV集群通信范围内无水面汇聚节点，或出现丢包或错包现象。主UUV节点需要在下一周期重新广播HELLO包，等待接收RTS包。若在WF_RTS定时器时间范围内，主UUV节点接收到RTS包，则无论是否接收到来自从UUV的ACK包，都无需重新广播HELLO包。由于UUV集群航行存在水面汇聚节点离开或加入UUV集群网络的情况，UUV节点可能在WF_RTS定时器时间范围内接收到多个RTS包，这种情况下，UUV节点以第一次接收RTS包的信息为准。
从UUV节点收到来自主UUV节点广播的HELLO包后，启动WF_RTS定时器，进入WF_RTS状态，等待接收来自水面汇聚节点的RTS包。并在[0,τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_ACK。在等待TWT_ACK后回复ACK包，以完成网络拓扑的建立和维护过程。WF_RTS定时器时长TWF_RTS_timer设置为TWF_RTS_timer＝3τmax1-τmax2+θ-TWT_ACK,x。
步骤(2)传输邀请：
水面汇聚节点收到HELLO包后，会根据收到的HELLO包中包含的RTS包初始最大等待发送时间τmax1，在[0,τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_RTS。水面汇聚节点在等待TWT_RTS后广播RTS包，告知主UUV节点，自身在UUV集群的通信范围内，并邀请UUV集群进行环境观测数据的上传。RTS包的格式如图6(b)所示。水面汇聚节点广播RTS包后，启动WF_REQ定时器，等待通信范围内的集群节点发送的REQ(请求)包。WF_REQ定时器时长TWF_REQ_timer设置为TWF_REQ_timer＝3τmax1+2θ。
若WF_REQ定时器超时，且水面汇聚节点未接收到来自UUV集群的REQ包，则表明UUV集群无数据需要传输，或发送的REQ包出现碰撞。此时，水面汇聚节点保持IDLE状态，等待接收下一周期主UUV发送的HELLO包。
步骤(3)响应请求：
若WF_RTS定时器未超时，且UUV节点ux收到来自水面汇聚节点广播的RTS包，如果ux有环境观测数据待传输，则ux根据收到的RTS包中的REQ包初始最大等待时间τmax1，在[0，τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_REQ,x，在等待TWT_REQ,x后，ux发送REQ包请求接入信道以传输环境观测数据。REQ包的格式如图6(c)所示，由REQ标志位、发送节点地址、接收节点地址、节点等待发送REQ时间TWT_REQ,x、需要传输的数据包个数与结束位组成。
主UUV节点uz接收到来自水面汇聚节点广播的RTS包后，若有环境观测数据等待传输，则在[0，τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_REQ,z，等待TWT_REQ,z后，主UUV节点发送REQ包请求接入信道以传输数据。
集群节点完成请求包发送后，执行步骤(5)；集群节点若无环境观测数据待传输，同样执行步骤(5)。
步骤(4)广播调度：
水面汇聚节点接收到来自UUV集群的REQ包后，根据RTS包的发送时刻tS_RTS、REQ包的接收时刻tR_REQ,x与REQ包中包含的UUV节点ux等待发送REQ时间tWT_REQ,x，可大致估算出水面汇聚节点与UUV节点ux之间的传播时延τsink,x，WF_REQ定时器超时后，水面汇聚节点不再接收REQ包。此时，水面汇聚节点按照估算的自身与UUV集群各节点之间的传播时延递增顺序，安排各节点的DATA(数据)包到达顺序表。即，若水面汇聚节点到达UUV集群中UUV节点ui、uj、uk节点的传播时延τi＜τj＜τk，则节点DATA包的到达顺序表为{i→j→k}。由于UUV节点在数据传播过程中存在移动情况，UUV集群与水面汇聚节点的相对位置会有所改变，这会对水面汇聚节点计算传播时延引入计算误差，从而影响DATA包的调度效果。为补偿UUV集群移动所造成的传播时延变化，考虑在DATA包之间引入保护间隔Tguard。节点ux的保护间隔时长Tguard,x可设置为
为降低集群节点发送的DATA包在水面汇聚节点处的碰撞概率，水面汇聚节点需调度UUV节点DATA包的发送时间，UUV节点ux需等待TWT_DATA,x时间后，发送DATA包。
由于TWT_DATA,x最小为0，且迭代计算TWT_DATA,x值。因此，若时延最小的节点为ui，则ui等待发送数据包的时间为0，即TWT_DATA,i＝0。
完成UUV集群各节点DATA包等待发送时间的计算后，汇聚节点将UUV各节点的DATA包等待发送信息包含在ORDER(调度)包中广播出去。ORDER包的格式如图6(d)所示，由ORDER标志位、接收节点地址、相应的节点等待发送DATA包时间TWT_DATA,x和结束位组成。水面汇聚节点广播ORDER包后启动WF_DATA定时器，进入WF_DATA状态，等待UUV集群发送DATA包。定时器时长为
步骤(5)协同信息交互：
若从UUV节点有环境观测数据等待传输，从UUV节点完成REQ包发送后，进入协同控制阶段，在[0，τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE,x，在等待TWT_STATE,x后，向主UUV节点发送STATE(状态信息)包，汇报自身状态。
若从UUV节点无环境观测数据等待传输，或WF_RTS定时器超时后，从UUV节点未收到来自水面汇聚节点广播的RTS包。从UUV节点则在[τmax1+θ，τmax1+τmax2+θ]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE,x，从节点在等待TWT_STATE,x时间后，向主UUV节点发送STATE包，汇报自身状态。STATE包的格式如图6(e)所示。
若主UUV节点uz有环境观测数据传输需求，则在完成REQ包发送后，启动WF_STATE定时器，等待来自从UUV节点的STATE包。此时WF_STATE定时器的时长TWF_STATE_timer设置为TWF_STATE_timer＝τmax1+2τmax2+2θ-TWT_REQ,z。
若主UUV节点uz无环境观测数据传输需求，则启动WF_STATE定时器，等待来自从UUV节点的STATE包。此时WF_STATE定时器的时长TWF_STATE_timer＝τmax1+2τmax2+2θ。
若在WF_STATE定时器时间范围内，主UUV节点uz成功接收到来自从UUV节点的STATE包，为避免数据包发生碰撞，uz需要在接收到水面汇聚节点发送的ORDER包后，根据ORDER包中对节点发送环境观测数据的调度情况以及从UUV节点设备状态信息和任务需求，向从UUV节点发送CONTROL(控制)包，进而完成主UUV对从UUV的控制。若WF_STATE定时器超时，且uz未收到来自从UUV节点的STATE包，则说明出现STATE包碰撞或丢包的情况，此时uz将根据从UUV节点的以往状态信息在后续阶段发送CONTROL包。
主UUV节点uz在WF_STATE定时器超时后，启动WF_ORDER定时器，等待接收来自水面汇聚节点的ORDER包。此时，WF_ORDER定时器时长TWF_ORDER_timer设置为TWF_ORDER_timer＝3τmax1+2θ-TWF_STATE_timer。
从UUV节点完成发送STATE包后，进入WF_ORDER状态，并启动WF_ORDER定时器。从UUV节点uy的WF_ORDER定时器时长TWF_ORDER_timer设置为TWF_ORDER_timer,y＝3τmax1+θ-TWT_STATE,y。
步骤(6)数据传输：
若集群各节点的WF_ORDER定时器未超时，UUV集群各节点接收到ORDER包后，将根据ORDER包中TWT_DATA信息，调度自身DATA包发送时间，以完成环境观测数据上报的任务。其中，DATA包的格式如图6(f)所示。
步骤(7)协同控制：
主UUV节点uz完成DATA包发送后，为避免数据冲突的产生，需等待UUV集群中的从UUV节点完成DATA包的上报任务后，向从UUV节点发送CONTROL包，实现对从UUV设备的控制。CONTROL包的格式如图6(g)所示。节点uz将根据ORDER包中最大的TWT_DATA_MAX，选择等待TWT_CONTROL后向从UUV节点广播CONTROL包，完成主从UUV间的协同控制。
主UUV节点uz完成发送CONTROL包后，进入WF_ACK状态，启动WF_ACK定时器，等待接收来自水面汇聚节点的ACK包和从UUV节点接收到CONTROL包后回复的ACK包。主UUV节点uz的WF_ACK定时器时长TWF_ACK_timer＝max(3τmax1+2θ-TWT_CONTROL，3τmax2+2θ)。
从UUV节点ux在根据ORDER包中相关调度信息完成DATA包发送后，启动WF_CONTROL定时器，等待接收主UUV节点uz发送的CONTROL包。此时，从UUV节点ux的WF_CONTROL定时器时长
若从UUV节点ux的WF_CONTROL定时器未超时，且节点ux成功接收到来自主UUV节点的CONTROL包，节点ux会根据收到的HELLO包中包含的ACK包初始最大等待发送时间τmax2，在[0，τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_ACK,x。从UUV节点ux在等待TWT_ACK,x后发送ACK包，告知主UUV节点已成功接收CONTROL包。其中，ACK包的格式如图6(h)所示。之后从UUV同样进入WF_ACK状态，等待接收来自水面汇聚节点ACK包。此时，从UUV的WF_ACK定时器时长
步骤(8)传输确认：
在TWF_DATA_timer定时器超时后，水面汇聚节点将根据接收到的DATA包情况广播ACK包，以完成对集群节点环境观测数据接收的确认。为避免广播的ACK包与主UUV节点发送的CONTROL包产生冲突，水面汇聚节点在WF_DATA定时器超时后会等待τmax2，再进行ACK包的发送。完成ACK包发送后，水面汇聚节点本轮环境观测任务已完成，进入IDLE状态。
若从UUV节点在WF_ACK状态下，接收到来自水面汇聚节点发送的ACK包，从UUV节点会根据ACK包中信息判断相应数据包的接收情况，以决定在下一轮传输中重新发送本轮传输失败的数据包。WF_ACK定时器超时后，若从UUV节点已完成步骤(7)则进入IDLE状态。否则，从UUV节点重新执行进入步骤(7)，等待接收主UUV节点发送CONTROL包。
当主UUV节点接收到来自水面汇聚节点的ACK包，说明水面汇聚节点已完成本轮的数据收集任务，主UUV节点同样需要根据ACK包中信息判断相应数据包是否在下一轮传输重新发送。如果此时主UUV已经接收到从UUV发送的ACK包，则表明已完成主、从UUV间的协同控制，此时主UUV进入IDLE状态，等待下一次环境观测数据上报周期开始。若主UUV节点未收到从UUV节点发送的ACK包，则需重新执行步骤(7)，以完成主从UUV节点间的协同控制。
上述对实施例的描述仅仅是对本发明实现形式的列举，本发明的保护范围不应限于实施例所述的具体形式，本领域技术人员根据本发明的揭示对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，采用基于调度方式的MAC协议，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、建立水声传感网络拓扑：
水声传感网络由一个UUV集群和m个水面汇聚节点组成，m≥1，UUV集群由多个UUV节点组成，其中一个为主UUV节点，其他为从UUV节点；
UUV节点与水面汇聚节点初始处于空闲状态，当周期性环境观测任务触发后，UUV集群中的主UUV节点首先广播探测包，所述的探测包由探测包标志位、发送节点地址、邀请发送包初始最大等待时间τmax1、确认包初始最大等待时间τmax2和结束位组成，设置Rmax1为水面汇聚节点与UUV集群间的最大距离，Rmax2为从UUV与主UUV间的最大距离，c为等效声速；UUV集群中的从UUV节点接收到探测包后，在[0,τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_ACK，在等待TWT_ACK后回复确认包；
步骤(2)、邀请传输：
水面汇聚节点接收到探测包后，在[0,τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_RTS，等待TWT_RTS后广播邀请发送包，邀请UUV集群进行环境观测数据的上传；
步骤(3)、响应请求：
UUV节点ux在接收到水面汇聚节点发送的邀请发送包后，若有环境观测数据等待传输，则在[0，τmax1]范围内选择一个随机等待时间TWT_REQ,x，等待TWT_REQ,x后，发送请求包请求接入信道并传输数据，UUV节点ux完成请求包发送后，执行步骤(5)；若无环境观测数据待传输，直接执行步骤(5)；
步骤(4)、广播调度：
水面汇聚节点接收到来自UUV集群的请求包后，根据邀请发送包的发送时刻tS_RTS、请求包的接收时刻tR_REQ,x与请求包中包含的UUV节点ux等待发送请求包的时间tWT_REQ,x，估算出水面汇聚节点与UUV节点ux之间的传播时延θ为一个控制包的传输时长；
超过设定的时间后，水面汇聚节点不再接收请求包；水面汇聚节点按照估算的自身与UUV集群各节点之间的传播时延递增顺序安排各节点的数据包到达顺序；在数据包之间引入保护间隔Tguard，设置ux的保护间隔时长vuuv,x为UUV节点ux的移动速度，τsink,x为水面汇聚节点与UUV节点ux之间的传播时延；水面汇聚节点调度UUV节点发送数据包的时间，UUV节点ux等待TWT_DATA,x时间后发送数据包；
水面汇聚节点将UUV各个节点的数据包等待发送信息包含在调度包中广播出去；所述的调度包由标志位、接收节点地址、相应的节点等待发送数据包时间TWT_DATA,x和结束位组成；水面汇聚节点广播调度包后启动WF_DATA定时器，进入WF_DATA状态，等待接收来自UUV集群的数据包；设置定时器时长步骤(5)、协同信息发送：
UUV集群的从UUV节点若已完成请求包发送，则在[0，τmax2]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE；否则在[τmax1+θ，τmax1+τmax2+θ]范围内选择一个随机等待时间TWT_STATE；在等待TWT_STATE后，向主UUV节点发送状态信息包；随后启动WF_ORDER定时器；
UUV集群主UUV节点完成请求包发送后，启动WF_STATE定时器，等待来自从UUV节点的状态信息包；设置WF_STATE定时器的时长TWF_STATE_timer＝τmax1+2τmax2+2θ；在WF_STATE定时器超时后，主UUV节点启动WF_ORDER定时器，等待接收来自水面汇聚节点的调度包；
步骤(6)、数据传输：
当集群各节点的WF_ORDER定时器未超时，UUV集群各节点接收到调度包后，根据调度包中TWT_DATA信息，调整自身数据包发送时间，以完成环境观测数据上报的任务；
步骤(7)、协同控制：
主UUV节点完成数据包发送后，等待UUV集群中的从UUV节点完成数据包的上传后，向从UUV节点发送控制信息包，实现对从UUV设备的控制；
步骤(8)、传输确认：
TWF_DATA_timer定时器超时后，水面汇聚节点将根据接收到的数据包情况广播确认包，完成对UUV节点环境观测数据接收的确认。
2.如权利要求1所述的面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于：所述的控制包为探测包、确认包、邀请发送包、请求包、调度包、状态信息包或控制信息包。
3.如权利要求1所述的面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于：步骤(4)中，UUV节点ux等待时间 为UUV节点ux-1待发送的数据包个数，δ为一个数据包的传输时长。
4.如权利要求1所述的面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于：步骤(5)中，从UUV节点uy的WF_ORDER定时器时长TWF_ORDER_timer设置为TWF_ORDER_timer,y＝3τmax1+θ-TWT_STATE,y；主节点WF_ORDER定时器时长设置为TWF_ORDER_timer＝3τmax1+2θ-TWF_STATE_timer。
5.如权利要求1所述的面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于：步骤(7)具体是：主UUV节点根据调度包中最大的TWT_DATA_MAX，选择等待TWT_CONTROL后广播控制信息包；然后主UUV节点进入WF_ACK状态，启动WF_ACK定时器，等待接收来自相应节点的确认包；主UUV节点的WF_ACK定时器时长TWF_ACK_timer设置为TWF_ACK_timer＝max(3τmax1+2θ-TWT_CONTROL，3τmax2+2θ)；从UUV节点接收到控制信息包后，回复相应确认包，启动WF_ACK定时器，等待接收水面汇聚节点广播的确认包；为UUV节点待发送的数据包最大个数值，z为主UUV节点uz的标号。
6.如权利要求1所述的面向UUV集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法，其特征在于：步骤(8)中，水面汇聚节点在WF_DATA定时器超时后等待τmax2再进行确认包的发送；完成发送后，水面汇聚节点本轮环境观测任务已完成，进入空闲状态；UUV节点根据接收确认包的情况，判断数据传输情况，本轮未成功接收的数据将在下轮重传。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310799904.4A CN116963286A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310799904.4A CN116963286A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116963286A true CN116963286A (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=88457569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310799904.4A Pending CN116963286A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116963286A (zh) |
-
2023
- 2023-07-03 CN CN202310799904.4A patent/CN116963286A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110943861B (zh) | 一种适用于水声传感器网络的多链路并发传输方法 | |
| CN107071829B (zh) | 一种面向数据收集任务的水声网络媒体接入控制方法 | |
| Peng et al. | COPE-MAC: A contention-based medium access control protocol with parallel reservation for underwater acoustic networks | |
| CN107919950B (zh) | 一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法 | |
| CN101982944B (zh) | 一种应用于水声传感器网络Aloha协议方法 | |
| CN102387602A (zh) | 一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法 | |
| CN101197826A (zh) | 一种解决多跳无线自组网隐藏终端和暴露终端问题的方法 | |
| CN102098113A (zh) | 基于aloha和tdma的水声传感器网络mac层协议的实现方法 | |
| CN110972162B (zh) | 一种基于马尔科夫链的水声传感器网络饱和吞吐量求解方法 | |
| CN110492950B (zh) | 面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法 | |
| CN102056325A (zh) | 一种基于多输入多输出天线的多址接入方法 | |
| CN103248436A (zh) | 一种解决水声通信网隐藏终端与暴露终端的方法 | |
| CN108632911B (zh) | 基于全局调度的自适应冲突避免实时媒介访问控制方法 | |
| CN104349495A (zh) | 一种基于maca-u协议的水声网络多址接入方法 | |
| CN110691371B (zh) | 一种网状水声网络的mac调度方法 | |
| CN102638901B (zh) | 适用于工业监测的无线传感器网络自适应mac协议 | |
| CN106571876B (zh) | 一种适用于水声网络的时反多址接入方法 | |
| CN110381562B (zh) | 基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法 | |
| Qian et al. | A slotted floor acquisition multiple access based MAC protocol for underwater acoustic networks with RTS competition | |
| Jagannath et al. | A hybrid MAC protocol with channel-dependent optimized scheduling for clustered underwater acoustic sensor networks | |
| CN103298139B (zh) | 动态分布式按需协作接入方法和系统 | |
| Roy et al. | RPCP‐MAC: Receiver preambling with channel polling MAC protocol for underwater wireless sensor networks | |
| CN108184250B (zh) | 基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法 | |
| CN116963286A (zh) | 面向uuv集群环境观测水声传感网络媒体接入控制方法 | |
| CN111313980A (zh) | 基于接收队列时空映射的信道动态协商多址接入控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |