一种混合调度MAC协议方法、装置及设备

本发明涉及水声通信，特别涉及一种混合调度mac协议方法、装置及设备。

背景技术：

1、海洋是国家和民族赖以生存和可持续发展的重要战略空间。随着综合国力和科技水平的不断提升，我国正在历经从海洋大国向海洋强国的转变，在此过程中必须高度关注水下技术的发展，水声通信网络是开发海洋资源、保护海洋环境和推动海洋研究的基础和关键技术之一。

2、当前，现有技术中比较相关的解决水声信道分配问题的方法主要包括tdma（timedivision multiple access，时分多址）和fdma（frequency division multiple access，频分多址）两种mac（multiple access control，多路访问控制）协议。然而，tdma协议对时钟同步要求较高，在水下网络中实现时钟同步较为困难；且当某节点没有数据发送时，为其分配的时隙会浪费，造成信道利用率低的情况。fdma协议所分频段较多时信号接收解析计算量较大，对硬件要求较高；且由于水下可用带宽较窄，该种方法对用户数量有较大限制；且当某节点没有数据发送时，为其分配的信道会浪费，造成信道利用率低的情况。可见，这两种mac协议存在灵活性差、算法复杂、对硬件要求较高、应用场景不匹配等问题，并不适用于大规模水下层级网络。

3、因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合调度mac协议方法、装置及设备，能够解决大规模水下通信定位一体监测网络多层网络架构下的多节点共享水声信道的信道分配问题以有效避免数据冲突。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种混合调度mac协议方法，应用于水下层级网络，包括：

3、确定水下环境的目标监测区域，并获取所述目标监测区域内的网络节点；所述网络节点包括母船节点、若干个水面网关节点以及若干个水下节点；所述水下节点包括子网基站节点和终端节点；

4、利用所述网络节点构建通信定位一体监测网络，并基于所述通信定位一体监测网络确定相应的可用频段；

5、对所述可用频段进行划分以得到至少两个子频段，并基于预设分配规则将所述至少两个子频段分配给与所述水面网关节点连接的子网区域内的各节点以得到与所述水面网关节点对应的目标子网区域；其中，每个所述目标子网区域内包括一个所述子网基站节点以及若干个所述终端节点；

6、在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点执行数据传输调度流程以获取所述终端节点的监测数据，然后通过所述水面网关节点将所述监测数据转发至所述母船节点。

7、可选的，所述利用所述网络节点构建通信定位一体监测网络，包括：

8、利用所述母船节点与所述水面网关节点构建第一层网络；

9、利用所述水面网关节点与所述子网基站节点构建第二层网络；

10、利用所述子网基站节点与每个所述子网基站节点在所述目标子网区域内对应各自通信范围内的若干个所述终端节点构建第三层网络；

11、根据所述第一层网络、所述第二层网络以及所述第三层网络确定所述通信定位一体监测网络。

12、可选的，对所述可用频段进行划分以得到至少两个子频段，并基于预设分配规则将所述至少两个子频段分配给与所述水面网关节点连接的子网区域内的各节点以得到与所述水面网关节点对应的目标子网区域，包括：

13、对所述可用频段进行划分以得到第一子频段与第二子频段；

14、依次将所述第一子频段与第二子频段分配给与所述水面网关节点连接的两个子网区域内的各节点，以得到与所述水面网关节点对应的目标子网区域。

15、可选的，在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点执行数据传输调度流程以获取所述终端节点的监测数据，然后通过所述水面网关节点将所述监测数据转发至所述母船节点，包括：

16、当所述数据传输调度流程为初始化阶段时，在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点向每个所述终端节点广播第一调度包，以便所述终端节点根据所述第一调度包按照预设节点序号的顺序依次向所述子网基站节点发送第一节点数据；其中，每个所述终端节点向所述子网基站节点发送所述第一节点数据时对应的时隙长度基于所述预设节点序号与最大传播延迟以及最大数据传输延迟确定；

17、当所述子网基站节点接收到所有的所述终端节点发送的第一节点数据后，通过所述子网基站节点搭载的定位基阵，根据超短基线定位原理，利用所述第一节点数据确定与所述终端节点对应的第一位置信息；

18、利用所述目标子网区域对应的当前子频段将所述第一位置信息和所述第一节点数据转发给所述水面网关节点，同时通过所述终端节点对所述第一位置信息和所述第一节点数据进行监听以确定数据发送成功事件；

19、基于所述数据发送成功事件，通过所述水面网关节点按照所述当前子频段向所述子网基站节点回复确认字符并通过水面无线电将所述第一位置信息和所述第一节点数据转发至所述母船节点。

20、可选的，通过所述终端节点对所述第一位置信息和所述第一节点数据进行监听以确定数据发送成功事件之后，还包括：

21、通过所述终端节点将与所述数据发送成功事件对应的已发送数据删除；

22、如果所述终端节点没有确定所述数据发送成功事件，则重新触发所述利用所述目标子网区域对应的当前子频段将所述第一位置信息和所述第一节点数据转发给所述水面网关节点的步骤。

23、可选的，所述目标子网区域内通过所述子网基站节点执行数据传输调度流程以获取所述终端节点的监测数据，然后通过所述水面网关节点将所述监测数据转发至所述母船节点，包括：

24、当所述数据传输调度流程为周期性数据传输阶段时，在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点向每个所述终端节点广播第二调度包，以便所述终端节点根据所述第二调度包利用所述第一位置信息确定各自对应的数据传输时序，并基于所述数据传输时序向所述子网基站节点发送第二节点数据；

25、当所述子网基站节点接收到所有的所述终端节点发送的第二节点数据后，通过所述子网基站节点搭载的定位基阵，根据超短基线定位原理，利用所述第二节点数据确定与所述终端节点对应的第二位置信息；

26、利用所述目标子网区域对应的当前子频段将所述第二位置信息和所述第二节点数据转发给所述水面网关节点，同时通过所述终端节点对所述第二位置信息和所述第二节点数据进行监听以确定数据发送成功事件；

27、基于所述数据发送成功事件，通过所述水面网关节点按照所述当前子频段向所述子网基站节点回复确认字符并通过水面无线电将所述第二位置信息和所述第二节点数据转发至所述母船节点。

28、可选的，所述终端节点根据所述第二调度包利用所述第一位置信息确定各自对应的数据传输时序，并基于所述数据传输时序向所述子网基站节点发送第二节点数据，包括：

29、基于所述第一位置信息，利用预设传播延迟计算公式确定所述终端节点各自对应的传播延迟；

30、按照从小到大的顺序对所述传播延迟进行排序，并根据排序结果以及所述终端节点要发送的所述第二节点数据的传输延迟确定所述终端节点向所述子网基站节点发送所述第二节点数据时对应的当前时隙长度；

31、根据所述当前时隙长度确定所述终端节点对应的数据传输时序，并基于所述数据传输时序向所述子网基站节点发送第二节点数据。

32、可选的，所述在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点向每个所述终端节点广播第二调度包之前，还包括：

33、监测是否存在所述母船节点通过所述水面网关节点向所述子网基站节点发送的用户指令数据；

34、如果存在所述用户指令数据，则预先处理所述用户指令数据并在所述用户指令数据处理完成后触发所述在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点向每个所述终端节点广播第二调度包的步骤。

35、第二方面，本技术公开了一种混合调度mac协议装置，应用于水下层级网络，包括：

36、节点获取模块，用于确定水下环境的目标监测区域，并获取所述目标监测区域内的网络节点；所述网络节点包括母船节点、若干个水面网关节点以及若干个水下节点；所述水下节点包括子网基站节点和终端节点；

37、频段确定模块，用于利用所述网络节点构建通信定位一体监测网络，并基于所述通信定位一体监测网络确定相应的可用频段；

38、频段划分模块，用于对所述可用频段进行划分以得到至少两个子频段，并基于预设分配规则将所述至少两个子频段分配给与所述水面网关节点连接的子网区域内的各节点以得到与所述水面网关节点对应的目标子网区域；其中，每个所述目标子网区域内包括一个所述子网基站节点以及若干个所述终端节点；

39、数据传输模块，用于在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点执行数据传输调度流程以获取所述终端节点的监测数据，然后通过所述水面网关节点将所述监测数据转发至所述母船节点。

40、第三方面，本技术公开了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如前所述的混合调度mac协议方法。

41、本技术提供了一种混合调度mac协议方法，应用于水下层级网络，包括：确定水下环境的目标监测区域，并获取所述目标监测区域内的网络节点；所述网络节点包括母船节点、若干个水面网关节点以及若干个水下节点；所述水下节点包括子网基站节点和终端节点；利用所述网络节点构建通信定位一体监测网络，并基于所述通信定位一体监测网络确定相应的可用频段；对所述可用频段进行划分以得到至少两个子频段，并基于预设分配规则将所述至少两个子频段分配给与所述水面网关节点连接的子网区域内的各节点以得到与所述水面网关节点对应的目标子网区域；其中，每个所述目标子网区域内包括一个所述子网基站节点以及若干个所述终端节点；在所述目标子网区域内通过所述子网基站节点执行数据传输调度流程以获取所述终端节点的监测数据，然后通过所述水面网关节点将所述监测数据转发至所述母船节点。

42、本技术的有益技术效果为：利用水下层级网络空间分布特点，将可用频带划分为至少两个子频段，相邻子网间采用不同频段以避免子网间的数据冲突；目标子网区域内根据数据传输调度流程通过子网基站节点获取每个终端节点的监测数据，根据每个终端节点的监测数据优化时序调度以优化信道分配，避免子网内数据冲突的同时又提高了信道利用率。该混合调度mac协议既避免过多的频段划分造成的算法复杂度，又避免仅使用频分的方法带来的用户数量限制；既避免了tdma方法的时钟同步要求，又避免了纯预约机制大量控制包所造成的能源浪费及信道占用；仅根据得到的监测数据进行信道预约按需分配及时序调度，既节约了能耗，又最大化信道利用率。

43、此外，本技术提供的一种混合调度mac协议装置及设备，与上述混合调度mac协议方法对应，效果同上。