一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法
【专利摘要】本发明公开一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法。该方法的每个传输周期包含握手、传输、结束三个阶段，具体步骤为：步骤A1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段；步骤A2：握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺序，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；步骤A3：当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段。本发明可以让水声网络中的多个节点在同一个传输周期内批量传输数据而不发生冲突，能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延，可广泛用于各种基于竞争协议的水声通信网、水声传感网等场合。
【专利说明】-种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水声通信领域，特别是一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通 信方法。
【背景技术】
[0002] 水声通信网络是水下通信技术研究的一个重要方向，在水下勘探、水下石油开采、 战术监控、污染监测、海啸预警、辅助导航、生态监控等方面有着广泛的用途。组建高性能的 水声通信网络，不但需要解决水下点对点两个用户之间的可靠通信，同时还需要考虑多个 用户在共享水介质信道时信息如何高效地交互。水声信道的频带窄、时延长、能量受限等特 点使得媒体接入控制技术成为影响水声通信网络性能的关键因素之一。
[0003] 在目前的水声通信网络中，媒体接入控制技术大致可W分为固定分配信道和竞争 使用信道两种。固定分配信道的方式将整个通信的频谱资源划分为多个信道，固定分配给 节点单独使用。该种信道的使用方式可W避免冲突的发生，也无需握手等交互，适用于各节 点持续有数据发送的场合，但对于突发数据的传输效率不高。在竞争使用信道的方式中，用 户通过竞争获取信道的使用权，并在一定时间内独占所有的带宽，可W较好地满足突发数 据传输的要求，但在多个节点同时有数据要发送时，需要使用专口的技术来决定信道的使 用权，W避免冲突的发生。
[0004] 握手是竞争使用信道方式中最常用的一种冲突避免技术。通过握手，需要发送数 据的节点可W竞争获得数据传输信道的使用权，避免数据传输时产生冲突。CSMA、MCA和 FAMA等常用的水声网络媒体接入控制协议中均采用了握手机制。但在现有的基于握手的水 声网络媒体接入控制协议中，每个传输周期通常只有一对节点可W相互通信，由于水声信 道的时延很长，该种通信方式存在着W下的不足：
[0005] (1)信道利用率低。一个传输周期通常包括握手、数据传输、传输结束=个阶段。 由于声波在水中的传播速度低，握手阶段中节点间的信息交互通常需要较长的时间才能完 成。而现有基于握手的水声网络媒体接入控制协议中每个传输周期只允许一对节点通信， 使得握手阶段耗时在整个传输周期中占有较大的比例，有效数据传输时间所占比例小，降 低了信道的利用率。
[0006] (2)多节点通信时平均时延长。在现有基于握手的水声媒体接入控制协议中，由于 每个传输周期只允许一对节点通信，因此多对节点需要轮流进入各自的传输周期才能完成 传输，即当前一对节点传输完毕后，新的一对节点需要重新进行握手、传输数据及结束传输 的过程，需要较长的时间才能完成多节点之间的通信。
【发明内容】
[0007] 针对现有竞争信道水声网络中媒体接入控制协议因每个传输周期只允许一对节 点通信而造成的信道利用率低、多节点通信时平均时延长等不足，本发明提供了一种适用 于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，可W让水声网络中的多个节点在同一个传输 周期内批量传输数据而不发生冲突，能有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延， 可W广泛用于各种基于竞争协议的水声通信网、水声传感网等场合。
[000引本发明提供的适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，每个传输周期包 含握手、传输、结束=个阶段，具体步骤如下（W下所有缩写均为本领域的惯用术语）：
[0009] 步骤A1 ;当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段。需 要发起通信的节点广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则广播回复CTS信令，直至 在预设的时间内再无新的RTS和CTS信令发出，握手阶段结束。每个节点侦听并记录本次 传输周期中所有成功握手的通信请求。
[0010] 步骤A2 ;握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先 级顺序，计算本节点可W无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相 应目的节点发送数据。
[0011] 步骤A3;当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个接收到数据的 目的节点按优先级顺序，计算本节点可W无冲突发送ACK或NACK信令至相应源节点的时 亥IJ，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节点向相应的源节点发送ACK信令，接收数据有 错误的目的节点向相应的源节点发送NACK信令。当所有源节点接收到ACK或NACK信令后， 本传输周期结束。
[0012] 上述步骤A2中，每个节点发送数据的时刻采用W下方法计算：
[0013] 步骤A2. 1 ;优先级最高的源节点Si W最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻， 经过预设时间7^">化"后开始发送数据，其中Dm。为水声网络任意两节点间数据传播的最 大延时。上述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻。
[0014] 步骤A2. 2 最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，优先级为i的源节点Si在 W下时刻发送数据给相应的目的节点中
[0015]
【权利要求】
1. 一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特征在于每个传输周期包 含握手、传输、结束三个阶段，具体步骤如下： 步骤A1 :当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，网络进入握手阶段，需要发起 通信的节点广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则广播回复CTS信令，直至在预设 的时间内再无新的RTS和CTS信令发出，握手阶段结束；每个节点侦听并记录本次传输周期 中所有成功握手的通信请求； 步骤A2 :握手阶段结束后，网络进入传输阶段，每个需要发送信息的节点按优先级顺 序，计算本节点能无冲突地发送数据至相应目的节点的时刻，计时至该时刻后，向相应目的 节点发送数据； 步骤A3 :当所有节点的数据发送完毕后，网络进入结束阶段，每个接收到数据的目的 节点按优先级顺序，计算本节点能无冲突发送ACK或NACK信令至相应源节点的时刻，计时 至该时刻后，接收数据正确的目的节点向相应的源节点发送ACK信令，接收数据有错误的 目的节点向相应的源节点发送NACK信令；当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输 周期结束。
2. 根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于步骤A2中，每个节点发送数据的时刻采用以下步骤计算： 步骤A2. 1 :优先级最高的源节点即第一个源节点81以最后一个CTS信令中的时间标签 为0时刻，经过预设时间>Dmax后开始发送数据，其中D_为水声网络任意两节点间数 据传播的最大延时；所述CTS信令中的时间标签为该CTS信令发送的时刻； 步骤A2. 2 :以最后一个CTS信令中时间标签为0时刻，优先级为i的源节点Si在以下 时刻发送数据给相应的目的节点屯，
其中？为优先级为i的源节点即第i个源节点发送数据的时刻，为数据从^传 输到七的时延，if"为第i个源节点发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间。
3. 根据权利要求1或2所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法， 其特征在于上述步骤A3中，每个节点发送ACK或NACK信令的时刻采用以下步骤计算： 步骤A3. 1 :优先级最高的目的节点屯以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻， 经过预设时间TT* 2Dmax后开始发送ACK或NACK信令，其中D_为水声网络任意两节点间 数据传播的最大延时；所述数据包中的时间标签为该数据包发送的时刻； 步骤A3. 2 :以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，优先级为i的目的节点屯 在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点si:
其中7T*为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，为数据从d/专输 4的时延，/T"为优先级为i的目的节点发送的ACK或NACK信令持续时间，C为预设的保 护时间。
4. 根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于上述步骤A3. 2中，如果优先级为k的目的节点接收到两个以上源节点的信息，则在 回复优先级最高的源节点的时刻同时向所有发送信息到该节点的源节点回复ACK或NACK 信令；优先级低于k的目的节点计算发送时刻时，if4等于优先级为k的目的节点所回复的 所有ACK或NACK信令持续时间及发送这些信令间的保护时间之和，k为1?i。
5. 根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于任意源节点Si和目的节点1之间的时延采用以下过程估计：每个节点在网络建 立阶段或空闲的时候，向网络其他节点广播各节点到本节点的延迟。
6. 根据权利要求3所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，任意源节点Si和目的节点d」 之间的时延采用以下过程估计：根据网络各节点的位置信息，计算4和h之间的距离L，则1^=i/v，v为水中的声速。
7. 根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于源节点能用以下方法在同一传输周期内同时向多个目的节点发送不同的数据： 步骤B1 :在握手阶段，该源节点发送的RTS信令中按优先级顺序加入多个目的节点标 识，相应的目的节点接收到该RTS信令后，如果可以接收，则回复CTS信令； 步骤B2 :在数据传输阶段，该源节点按优先级顺序分别计算能无冲突地发送数据到各 目的节点的时刻，并在相应的时刻向各目的节点发送数据； 步骤B3 :在结束阶段，上述源节点对应的各目的节点按优先级顺序计算本节点可以无 冲突发送ACK或NACK信令至上述源节点的时刻，计时至该时刻后，接收数据正确的目的节 点向上述源节点发送ACK信令，接收数据有错误的目的节点向上述源节点发送NACK信令； 当所有源节点接收到ACK或NACK信令后，本传输周期结束。
8. 根据权利要求7所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于步骤B2中，当优先级为i的源节点发送数据到目的节点dn、di2、......、dik时， 则对应于目的节点dik(ke[1，K])的数据发送时刻采用下式计算：
其中7^_为Si发送数据到dik的时刻，为数据从Si传输到屯的时延，为第i个源节点发送的数据包持续时间，C为预设的保护时间，为Si发送给dim的数据包的持 续时间，发送数据到dim时采用的保护时间；优先级低于上述源节点的其它源节点 在计算发送数据时刻时，采用下式计算
9.根据权利要求1所述的一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法，其特 征在于结束阶段目的节点不发送ACK或NACK信令，最后一个数据包发送后，经过预设的一 段时间，本传输周期结束。
【文档编号】H04W74/08GK104486005SQ201410714302
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月30日 优先权日:2014年11月30日
【发明者】张军, 武春花, 冯义志, 宁更新, 季飞, 余华, 陈芳炯, 韦岗 申请人:华南理工大学