一种面向任务动态时隙的水声组网方法

本发明涉及水声无线传感器网络领域，尤其是一种面向任务动态时隙的水声组网方法，主要适用于解决长时延信道条件下的快速、高效组网问题。

背景技术：

1、水声传感器网络通过网络化传输与实时处理，提高了水下作业的信息采集与处理能力，打破了单平台的局限性，是空天地海一体化智能组网架构的重要一环。

2、在水下，水声信道存在时延长、带宽窄和误码率高等特点，并且水下节点携带能量有限，这些限制对水声组网造成挑战。灵活高效利用水声信道资源，减少组网阶段的数据冲突碰撞，能节省组网过程中的能耗，延长水声传感器网络有效工作时间所以，在水声节点组网中，tdma协议因为能合理地安排节点的发送时隙，信道利用率较高；流程相对简单，不需要大量复杂的运算，易于实现；采用缓存-突发的发射机间歇式开启方式，节能减耗等优点而被广泛采用；然而tdma协议存在需要严格地进行同步和保护时隙设置，以避免传播时延引起的相邻时隙数据包冲突碰撞等缺陷。

3、针对上述问题，现有解决方法主要分为两类。一是针对节点时间同步提出各种同步算法，二是针对信道进行估计和数据包到达时间进行估计的预先分配策略。

4、然而在水声无线传感器网络节点组网过程中，时间同步算法步骤繁复，需要消耗大量能量维护各节点一致的时间。各节点身份不同，组网时期任务变化快，预先分配无法考虑所有情况难以实际应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面向任务动态时隙的水声组网方法。本发明主要针对水声传感器网络在长时延信道下的组网问题，考虑无需时钟同步和预先分配时隙的前提，依赖当前组网阶段和已完成的任务情况来动态利用时隙，实现组网阶段的灵活时分复用，减少组网阶段时间，提高信道利用率。本发明是一种针对长时延信道下一种面向任务动态时隙的水声组网方法，通过动态维护网内节点状态表实现了网络任务的高效动态执行，具体体现在：(1)任务的动态性。任务是基本动作的组合，其完成时间本身根据网络节点的组网状态动态计算得出；(2)任务完成后时隙结束的动态性。可提前结束时隙而不影响其他节点，提高信道的利用率。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

3、步骤1：设计网络帧格式；

4、设计网络的帧格式，包括控制帧和数据帧两大类；图1给出了一个具体帧类型、作用以及数据负载内容的示例说明；其中控制帧包括测距帧、确认帧和数据开始帧，数据帧包括通知帧、测距结果帧和负载帧；在执行一次网络任务中，网络帧的生成由控制帧和数据帧动态组合得到，对应不同的任务；

5、步骤2：设计网络节点状态表；

6、对网络的实际节点id进行一个映射，形成网络节点状态表；

7、步骤3：节点测距矩阵dm×m生成；

8、设计测距矩阵dm×m为：

9、

10、其中，m表示网络的总节点数，dij意为节点i与节点j之间的距离，是由指定节点i发起测距帧，j作为待测节点返回测距帧，在节点i本地进行计算得到的数值；当i＝j时，dij＝0，表示节点i到自己的测距信息为0；

11、中心节点根据网络节点id进行调度，完成任意两节点测距信息获取；对于中心节点的调度，给出一种测距状态更新矩阵查询的调度方式；

12、测距状态更新矩阵wm×m为：

13、

14、其中，矩阵元素初始化为主对角线全1，其他元素全0矩阵；

15、在网络成功完成任意两节点测距信息获取后，测距矩阵dm×m对应元素dij更新，测距状态更新矩阵wm×m对应元素tij与tji更新为1；若测距信息获取失败，则不更新；中心节点对当前测距状态更新矩阵wm×m进行顺序查询，在某一元素wij不等于1时，则调度节点i进行与节点j之间的测距，并更新测距矩阵dm×m与测距状态更新矩阵wm×m；若元素wij等于1则跳过；

16、步骤4：动态时隙计算与设定；

17、按照tdma协议将组网流程中某节点的任务分解为一个或多个基本时隙，任务基本时隙按照所采取的最大必要等待时间tmax进行设定，在任务执行过程中以返回标志或任务最大必要等待时间进行网络时隙动态调度；

18、当任务发起节点在任务最大必要等待时间内提前获得任务返回标志时，任务提前结束；当任务发起节点在任务最大必要等待时间内仍未获得任务返回标志，任务按照最大必要等待时刻结束；根据网络节点实际完成事件的情况，按照最大必要等待时间设定的固定时隙结束时间会产生变化，称为动态时隙；由于动态时隙的时间小于等于任务最大必要等待时间，因此可以节省调度时间；网络测距任务过程中，一次任意两节点距离测量，由于提前不清楚两节点之间的实际距离，所以任务最大必要等待时间设定为：t1＝2*节点可能布放最大距离/当前声速+信息发送及处理时延，实际任务完成时间为：t2＝2*节点实际布放最大距离/当前声速+信息发送及处理时延；这个过程中由于动态时隙的机制，为全网节约t1-t2的时间。

19、步骤5：任务执行的时隙分配与系统实现；

20、任务执行主要根据网络的任务需求设定，这里的任务需求为多样化的，如初始化自定位任务、信息汇聚任务和新节点接入任务；网络所有任务执行是采用由中心节点调度的动态时隙分配机制；对任意节点i发起的任务，都由中心节点调度执行；如进行测距任务时，节点i发起任务，中心节点对自己当前测距状态更新矩阵wm×m进行顺序查询，在某一元素wij不等于1时，则调度节点i进行与节点j之间的测距，并更新测距矩阵dm×m与测距状态更新矩阵wm×m；若元素wij等于1则跳过，完成一轮更新后将信息返回节点i；

21、对于普通节点的任务状态由中心节点本地维护的节点状态表格指定，任务发起节点i向其他任务执行节点发布任务序列前，需将已达到最大查询次数的映射节点或已完成全部任务流程的映射节点提前结束时隙分配流程；

22、在cpu处理芯片上进行网络系统的实现，中心节点按照节点号从小到大或者从大到小分别向每一个普通节点发送包含测距序列的通知帧，并在中心节点本地设定时钟定时器，时钟定时器的时间由步骤4计算得出的任务最大必要等待时间tmax给出，若在时钟定时器设定时间内中心节点未收到任务序列的回复帧，则定时器到时间后自动结束任务时隙，时钟定时器清零；若在时钟定时器设定时间内中心节点收到任务序列的回复帧，则中心节点提前结束任务时隙，时钟定时器清零；在完成一个任务时隙后，进入下一个任务时隙，节点根据步骤4重新设定时钟定时器；

23、步骤6：超时重传；

24、在步骤4中，若任务执行节点超过任务最大必要等待时间tmaxi仍未返回回复帧，回复帧为任务的确认帧或测距回复帧，或任务执行节点正确返回确认帧但执行超时未返回含有任务结果的数据帧，则任务发起节点发送数据重传请求，直到达到设定的重传次数上限；

25、步骤7：补充与更新；

26、在网络任务期间，中心节点对在网络中但未获取完全任务信息的节点进行补充信息量测，按照步骤5重新发起执行中心节点调度进行状态查询，直至达到信息完整或补充执行次数上限；对由拓扑发现过程已判断为不在网络中的节点进行状态表更新，去除不在网络中的节点或将其标志位设置为无法联络状态，之后向全网共享网络状态信息，结束组网。

27、所述步骤2中，形成网络节点状态表，图2给出了一个5节点网络的示例，其中第i行第j列的元素代表映射节点id为i的节点到映射节点id为j的节点的状态情况，状态情况包括节点i与节点j间的测距距离、是否已经完成测距、组网测距已请求次数和是否在网络中，显然，第j行第i列的内容与第i行第j列的内容一致。

28、所述步骤3中，调度过程的终止条件可设定，本发明的终止条件为重复调度次数上限。

29、所述任务最大必要等待时间tmax的计算分为两种情况：

30、(4.1)中心节点自身任务执行时的最大必要等待时间，由中心节点根据任务情况动态安排时隙，计算过程为：不同基本任务事件最大容忍时间为t1、t2、...tm，针对不同基本任务事件所需经历的基本任务次数分别为a1、a2、...am，，则任务最大必要等待时间计算公式为：

31、tmax＝a1t1+a2t2+...+amtm

32、其中，a1、a2、a3...am为非负整数；

33、(4.2)普通节点执行测距序列时的动态时隙，由中心节点和普通节点双方分别按照各自任务完成事件所需经历的不同基本任务次数与对应基本任务事件最大容忍时间的线性组合累加计算得到，计算过程同步骤(3.1)。

34、所述步骤4中，给出组网时几种基本任务事件最大容忍时间的定义，说明这种基本任务事件的定义方式多样，在此给出三种示例，其他定义可类比；三种基本任务事件：单次测距、单次基本往返通信和轮询测距，三种基本任务事件所需最大容忍时间分别对应t1、t2、t3，定义和计算方法如下：

35、t1：单次基本测距动作的最大等待容忍时间长度记为t1，t1由实际水下节点部署的距离与环境决定，t1＝2*节点布放最大距离/当前声速+信息发送处理时延；

36、t2：单次基本往返通信的最大等待容忍时间长度记为t2，t2＝k2*(2*t1+tc)，其中tc为与通信机相关的必要握手时间和配置时间，k2为单次通信最大重发次数；基本往返通信包括单次发送消息和接收返回消息；

37、t3：轮询测距的最大等待容忍时间长度记为t3，t3与轮询的单次基本测距动作个数和单次基本往返通信的次数有关，t3＝n*(2*t1*k3)+t2，其中n为节点测距序列的个数，k3为单对节点的最大重测次数。

38、在网络任务回复过程中存在冲突的情况下，随机退避一段时长t，时长t根据网络吞吐量设定，t在1s～5s随机取值，在退避时间内未收到sink节点切换任务的通知，则随机退避后重新执行步骤6；若收到sink节点切换任务的通知，则取消上一任务执行新的任务；由于已获取的组网信息仍然有效，消耗时间与能耗将较少。

39、本发明的有益效果在于由于提供一种面向任务动态时隙的水声组网方法，考虑无需时钟同步和预先分配时隙的前提，依赖当前组网阶段和已完成的任务情况来动态利用时隙，实现组网阶段的灵活时分复用，减少组网阶段时间，提高信道利用率。基于动态时隙的水声无线传感器网络组网方法。时隙长度在组网过程中根据网络节点状态表格的设置情况动态进行设置，在每个节点只需了解基本动作所需的时间长，根据任务进行各基本动作的组合从而确定完成任务的节点所需的最终时隙时长，并根据任务完成的情况，按本文的方法提前或延长时隙。网络节点间无需进行时间同步，也无需预先分配时隙。所以在组网阶段比较实用，灵活利用信道和减少能量浪费，从而提升网络吞吐量，延长水声无线传感器网络工作时长。网络动态时隙体现在：(1)任务的动态性，即任务是基本动作的组合，其完成时间本身根据网络节点的组网状态动态计算得出；(2)任务完成后时隙结束的动态性，即可提前结束时隙而不影响其他节点，提高信道的利用率。

40、本发明不仅适用于水声网络，在其他长时延信道情况下也适用。