一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法技术

本发明专利技术公开了一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合，在握手阶段RTS/CTS信令采用并发式的时分复用机制并行地传输，可以完全消除RTS/CTS信令的冲突，避免现有方法因节点无法准确掌握同一传输周期内所有握手成功的节点对而错误计算发送数据的时间带来的数据传输冲突，同时又能减少握手的时间，提高传输效率；上一数据传输状态中的ACK/NACK信令在下一握手状态的RTS或CTS时隙发送，无需单独安排时间进行传输，使信道的利用效率更高效。发明专利技术提供了两种休眠机制，能有效地减少节点的能耗，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有重要的作用。

A parallel communication method for underwater acoustic networks without conflict

The invention discloses a parallel conflict free competition channel underwater acoustic network communication method for full connectivity of underwater acoustic communication network, underwater acoustic sensor networks etc. competition agreement based on the structure of the time division multiplexing mechanism in RTS/CTS signaling by the handshake and concurrent parallel transmission, can completely eliminate the conflict of RTS/CTS signaling, avoid data transmission the conflict node can not accurately grasp all the successful handshake nodes of the same transmission period of error calculation time of sending data from the existing methods, and can reduce the time to shake hands, to improve the transmission efficiency; ACK/NACK signaling a data transmission state in a state of RTS or CTS handshake slot, without arrange time for transmission alone, make more efficient use of channel efficiency. The invention provides two kinds of sleep mechanisms, which can effectively reduce the energy consumption of nodes, and play an important role under the condition that the energy of underwater nodes is limited and the charging is not easy.

【技术实现步骤摘要】
一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法
本专利技术涉及水声通信
，具体涉及一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法。
技术介绍
静态的水声通信网络通常由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点构成，它们之间通过双向声链路组成分布式、多节点、大覆盖面积的水下三维网络，可以对水下信息进行采集、处理、分类、压缩等操作，并能将信息通过水下节点以中继方式回传到陆基或船基的信息中心。媒体接入控制(MediumAccessControl，MAC)是水声通信网络络的关键技术，决定了节点共享水声信道资源的方式，其性能直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。水声信道时延长的特点是影响水声网络MAC协议性能的最主要因素之一，长时延使得冲突对水声网络性能的影响远大于陆上的无线网络，因此在竞争信道的水声网络中，有一大类MAC协议采用了握手技术来避免冲突。但在现有的基于握手的水声网络MAC协议中，受水下带宽的限制，每个传输周期通常只有一对节点可以相互通信，这种串行的节点交互方式在长时延的水声环境下存在以下不足之处：(1)等待信息到达的空闲时间在传输过程中占的比例较大且无法利用。在水下，源节点发送的信息到达目的节点需要较长的时间，在每个传输周期只有一对节点可以通信的情况下，等待信息到达的空闲时间无法利用，其在传输过程中占的比例越大，频谱资源的浪费越多。(2)多对节点的通信需要多个传输周期，多次的握手使得传输效率不高。由于声波在水中的传播速度低，握手过程往往需要较长的时间才能完成，多次的握手会显著降低有用信息的传输效率。为了解决上述问题，中国专利技术专利CN201410714302.5和中国专利技术专利CN201610697973.4分别提供了一种适用于全静态节点水声网络和包含运动节点水声网络的多节点并行通信方法，上述方法能让多组节点在同一个传输周期内无冲突地并行传输数据，可以有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延。中国专利技术专利CN201611159045.9中提供了一种节点发送顺序优化的竞争信道水声网络并行通信方法，该方法通过优化一个传输周期中多个节点的发送顺序及发送时间，能在实现节点数据无冲突并行传输的前提下，有效地减少一个传输周期所需的时间，从而提高信道利用效率。中国专利技术专利201710064153.6提供了一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法通过控制节点的发送功率，在数据传输阶段将全连通网络转化为多个互不连通的子网，每个子网独立规划节点发送时间，子网间同时传输，子网内并发传输，能有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，降低能耗。上述方法均能有效提高现有基于握手的水下竞争MAC协议的性能，但由于这些方法要求源节点准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点信息，并据此规划发送数据的时间，因此在实际应用中仍存在以下不足：(1)在握手阶段RTS/CTS的冲突会引起传输错误。在上述方法中，由于握手阶段RTS/CTS的发送是随机的，因此不可避免地存在冲突的可能，使需要通信的节点无法准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点对，因而错误计算发送数据的时间；(2)ACK/NACK信令的传输效率较低。上述方法中，当所有节点的数据传输完成后，需要单独安排一段时间来供目的节点发送ACK/NACK信令，这段额外的开销时间在整个传输周期中占有一定比例，降低了信道利用率。(3)未包含休眠机制。上述方法中均未包含休眠机制，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有较明显的局限。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，节点采用经过优化的时分复用方法发送RTS/CTS信令，可以有效避免RTS/CTS信令的冲突，同时将ACK/NACK信令的发送与下一传输周期的RTS/CTS信令发送相结合，并提供了节点休眠的机制，能有效地提高信道利用率，节约能耗，可以广泛用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，具体包含以下步骤：步骤S1、在水声通信网络通初始化状态，网络中所有节点同步时钟，检测网络中每对节点间的传播时延并保存到每个节点中。网络初始化完毕后，由其中一个节点广播网络启动信令，网络进入握手状态。其中，水声通信网络通常由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点构成，它们之间通过双向声链路组成分布式、多节点、大覆盖面积的水下三维网络。步骤S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令。若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令。每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则重新转至步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输状态。步骤S3、在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点可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。所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态。上述步骤S2中，当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：以网络启动信令的时间标签或上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(TiRTS,TiRTS+PRTS)，其中Ch为预设的时间且Ch大于任意两节点间传输时延的最大值，PRTS为发送RTS信令所需的时间，N为网络中节点的数目，TiRTS为优先级为i的节点发送RTS的时刻，Di,j为RTS从节点i到节点j的传播时延，Dh为预设的保护时间。优先级为i的节点的CTS时隙为(TiCTS,TiCTS+PCTS)，其中PCTS为发送CTS信令所需的时间。上述步骤S2中，当节点从数据传输状态转到握手状态时，上一传输周期中的目的节点在自己的CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：以数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(TiRTS,TiRTS+PRTS)，其中优先级为i的节点的CTS时隙为(TiCTS,TiCTS+PCTS)，其中PACK为发送ACK/NACK信令所需的时间。上述步骤S2中，以网络启动信令的时间标签、上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻或数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，每个节点在(0,TRTS)时间内随机发送RTS信令，其中TRTS为预设的RTS发送时间。当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙(TiCTS,TiCTS+PCTS)当节点从数据传输状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的CTS时隙(TiCTS,TiCTS+PCTS)上述步骤S3中，每个源节点采用以下方法计算本节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通讯方法包括下列步骤：S1、初始化水声通信网络，由其中一个节点广播网络启动信令，水声通信网络进入握手状态；S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令；若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则重新转至步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输状态；S3、在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点可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，所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态。

【技术特征摘要】
1.一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的通讯方法包括下列步骤：S1、初始化水声通信网络，由其中一个节点广播网络启动信令，水声通信网络进入握手状态；S2、在握手状态，每个节点采用相同的非随机算法，计算所有节点的RTS时隙和CTS时隙，需发送信息的源节点在自己的RTS时隙中广播RTS信令，相应的目的节点若同意通信，则在自己的CTS时隙中广播回复CTS信令；若上一状态为数据传输状态，则上一状态中的目的节点在自己的RTS时隙或CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点侦听并记录所有成功握手的通信请求，如果无节点握手成功，则重新转至步骤S2进入下一握手状态，如果有节点握手成功，则进入数据传输状态；S3、在数据传输状态，每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点可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，所有目的节点数据接收完毕后，转至步骤S2进入握手状态。2.根据权利要求1所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的步骤S2中，以网络启动信令的时间标签、上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻或数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，每个节点在(0,TRTS)时间内随机发送RTS信令，其中TRTS为预设的RTS发送时间。3.根据权利要求2所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的步骤S2中，当节点从网络初始化状态转到握手状态或从握手状态转到握手状态时，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：以网络启动信令的时间标签或上一握手状态优先级最低的节点CTS时隙结束时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(TiRTS,TiRTS+PRTS)，其中Ch为预设的时间且Ch大于任意两节点间传输时延的最大值，PRTS为发送RTS信令所需的时间，N为网络中节点的数目，TiRTS为优先级为i的节点发送RTS的时刻，Di,j为RTS从节点i到节点j的传播时延，Dh为预设的保护时间；优先级为i的节点的CTS时隙为(TiCTS,TiCTS+PCTS)，其中PCTS为发送CTS信令所需的时间。4.根据权利要求2所述的一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于，所述的步骤S2中，当节点从数据传输状态转到握手状态时，上一传输周期中的目的节点在自己的CTS时隙中发送ACK/NACK信令，每个节点采用以下方法计算自己以及其他节点的RTS和CTS时隙：以数据传输状态最后一个数据包发送完毕的时刻为0时刻，优先级为i的节点的RTS时隙为(TiRTS,TiRTS+PRTS)，其中Ch为预设的时间且Ch大于任意两节点间传输时延的最大值，PRTS为发送RTS信令所需的时间，N为网络中节点的数目，TiRTS为优先级为i的节点发送RTS的时刻，Di,j为RTS从节点i到节点j的传播时延，Dh为预设的保护时间；优先级为i的节点的...

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