一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法
本专利技术涉及水声通信领域，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。
技术介绍
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。在目前的水声通信网络中，媒体接入控制技术大致可以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。这种信道的使用方式可以避免冲突的发生，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，可以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，需要使用专门的技术来决定信道的使用权，以避免冲突的发生。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以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、MACA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以相互通信，由于水声信道的时延很长，这种通信方式存在着以下的不足：(1)信道利用率低。一个传输周期通常包括握手、数据传输、传输结束三个阶段。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。(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。
技术实现思路
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，本专利技术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，可以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。本专利技术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、结束三个阶段，具体步骤如下(以下所有缩写均为本领域的惯用术语)：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，计算本节点可以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，计算本节点可以无冲突发送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。上述步骤A2中，每个节点发送数据的时刻采用以下方法计算：步骤A2.1：优先级最高的源节点s1以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送数据，其中Dmax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。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di其中为第i个源节点发送数据的时刻，为数据从si传输到dj的时延，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。上述步骤A3中，每个节点发送ACK或NACK信令的时刻采用以下方法计算：步骤A3.1：优先级最高的目的节点d1以信道中最后一个数据包中时间标签为0时刻，经过预设时间后开始发送ACK或NACK信令，其中Dmax为水声网络任意两节点间数据传播的最大延时。上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di在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点si：其中为优先级为i的目的节点发送ACK或NACK信令的时刻，为数据从dj传输si的时延，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。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，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。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dj之间的时延采用以下方法估计：每个节点在网络建立阶段或空闲的时候，向其他节点广播各节点到本节点的延迟。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dj之间的时延采用以下方法估计：根据网络各节点的位置信息，计算si和dj之间的距离L，则v为水中的声速。上述适用于竞争信道水声网络的多节点快速通信方法中，某一源节点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，上述源节点发送的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，上述源节点按优先级顺序分别计算可以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。上述步骤B2中，当优先级为i的源节点si需发送数据到目的节点di1、di2、……、dik时，则对应于目的节点dik(k∈[1,K])的数据发送时刻采用下式计算，K为需发送的目的节点个数：其中为si发送数据到dik的时刻，为数据从si传输到dj的时延，为第i个源节点发送的数据包本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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s1以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，经过预设时间T1data≥Dmax后开始发送数据，其中Dmax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di，其中Tidata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si传输到dj的时延，Pidata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d1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T1ack≥Dmax后开始发送ACK或NACK信令，其中Dmax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di在以下时刻发送ACK或NACK信令给相应的源节点si：其中Tiack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dj传输si的时延，Piack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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，武春花，冯义志，宁更新，季飞，余华，陈芳炯，韦岗，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44