基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法。此方法基于握手机制，每个水声通信节点通过表机制的自学习来获取网络中的全局节点信息，规划网络中的传输任务。水声节点的表机制的自学习过程主要包含三个部分，分别是：表的初始化、表的存储以及表的更新。本发明专利技术提出的水声节点暴露终端解决方法优势在于基于表机制寻找网络中的暴露终端，能有效利用节点间的通信传播时延，来提高信道利用率，减少节点间的碰撞，从而提高网络的吞吐量，减小网络平均时延，提高水声通信网络质量。

Solution of exposed nodes of underwater acoustic nodes based on table mechanism and propagation delay

The invention discloses a solution method for exposed nodes of underwater acoustic nodes based on table mechanism by propagation delay. This method is based on the handset system, and each underwater acoustic communication node obtains the global node information in the network through the self-learning of the table mechanism, and plans the transmission task in the network. The self learning process of the table mechanism of underwater acoustic nodes consists of three parts, namely, initialization of tables, storage of tables and updating of tables. The advantage of this invention is to find the exposed terminal in the network based on the table mechanism. It can effectively use the communication delay between nodes to improve the channel utilization and reduce the collision between nodes, thus improving the network throughput, reducing the average network delay and improving the underwater acoustic communication network. The quality of the collaterals.

【技术实现步骤摘要】
基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法
本专利技术涉及一种基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法，属于水声通信领域。
技术介绍
由于水声信道的复杂性和多变性，水声通信具有长传播时延，窄带宽，吞吐量低等特性。在传统的水声网络MAC协议中，两节点相互通信时，周围的暴露终端会进入休眠状态以防止碰撞，导致这段时间内的水声信道被浪费，大大降低了信道的利用率以及网络的吞吐量。在水声通信网络中，给定时间内节点之间的碰撞越少，通信传输任务越多，则信道利用率越高，整个系统的吞吐量就越高。因而，在确保彼此不破坏对方传输的前提下，充分利用水声节点的通信传播时延是提高水声通信网络吞吐量的有效途径之一。因此，要合理设计利用传播时延的暴露终端解决方法，减少由于暴露终端通信导致的与邻节点间的碰撞，实现低时延、高吞吐量的水声通信网络。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法。暴露终端是指在发送节点的通信范围内而不在接收节点的通信范围内的节点，暴露终端因侦听到发送节点的发送而进入休眠状态延迟发送。但是，暴露终端其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送可能不会对现有的传输造成冲突，这就引入了不必要的时延。在不与现有的传输发生碰撞的前提下，为克服由于暴露终端休眠引入的传输时延，提高信道利用率。本专利技术采取的技术方案为：基于表机制寻找网络中的暴露终端，暴露终端在不影响已有传输的前提下，充分利用现有传输的传播时延来提高网络平均时延，提高信道利用率和系统吞吐量。本专利技术方法的实现具体包括以下步骤：(1)为水声通信网络中的每个节点构建一个节点表，具体如下：(1.1)节点表的初始化：完成网络中各节点的时钟和坐标的同步；(1.2)节点表的存储：节点在水声网络中发送广播消息(BI：Broadcastinformation)，广播消息中包含本节点的MAC地址以及MAC地址对应的坐标信息；网络中的节点接收到来自邻节点发来的广播消息后，将广播消息中携带的邻节点的MAC地址以及相应的坐标信息存储在自己的节点表中，本节点可以在节点表中查询到其所有的邻节点信息；(1.3)节点表的更新：在设定周期内，网络中的所有节点更新各自的广播消息BI，并将其广播至水声通信网络中，节点接收邻节点的广播消息后更新自身的节点表；(2)水声节点接收到来自发送节点的数据帧后，判断本节点的MAC地址是否与数据帧中携带的目的MAC地址匹配；如果匹配，则接收该数据帧；如果不匹配，节点不休眠，执行步骤(3)；(3)将数据帧中的目的MAC地址与本节点的节点表中存储的邻节点MAC地址对比，判断目的MAC地址是否在本节点的节点表中；如果目的节点在本节点的节点表中，则表示本节点与发送节点和接收节点互为邻节点，此时本节点进入休眠状态；如果目的节点不在本节点的节点表中，则表示目的节点不是本节点的邻节点，本节点判断为暴露终端，本节点与其他节点的通信只受发送节点的影响，而不受接收节点的影响，执行步骤(4)；(4)为了利用传播时延，同时避免本节点与其他节点的通信和发送节点与接收节点之间的通信发生碰撞，本节点需要在发送节点的RTS以及DATA包到来时处于空闲状态，其余时间都可与其他节点进行通信，具体为：(4.1)计算本节点发送DATA包的禁止时间，以防止其与发送节点的传输碰撞计算当来自其他节点的ACK包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点禁止发送DATA包的时间；(4.2)计算本节点接收CTS包的禁止时间，以防止其与发送节点的传输碰撞计算当来自其他节点的CTS包以及本节点发送的DATA包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点禁止接收CTS包的时间；(4.3)计算本节点发送RTS包的禁止时间，以防止其与发送节点的传输碰撞计算当本节点发送的RTS包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点禁止发送RTS包的时间；(4.4)结合步骤(4.1)和(4.2)中得到的本节点发送DATA包、接收CTS包的禁止时间，推导出本节点发送RTS包的禁止时间，再结合步骤(4.3)，得到本节点发送RTS包的所有禁止时间。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的水声节点暴露终端解决方法优势在于基于表机制寻找网络中的暴露终端，能有效利用节点间的通信传播时延，来提高信道利用率，减少节点间的碰撞，从而提高网络的吞吐量，减小网络平均时延，提高水声通信网络质量。附图说明图1是暴露终端示意图；图2是本专利技术中节点存储表结构示意图；图3是本专利技术中的传播时延利用图。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术做进一步的描述，但本专利技术的实施和保护范围不限于此。图1所示的水声通信网络暴露终端示意图。节点A与节点C在相互的通信范围内，节点B在节点A的通信范围内而不在节点C的通信范围内，节点D在节点C的通信范围内而不在节点A的通信范围内，此时，节点C被认为是暴露终端。在传统的水声通信网络MAC协议中，当节点C的邻节点A的正在与节点B通信时，为了防止碰撞，节点C会进入休眠状态。而由于水声通信长时延的特性，节点A与节点B之间的通信可能需要很长一段时间，因此节点C需要长时间休眠来防止碰撞，这大大降低了水声通信信道的利用率以及网络的吞吐量。本专利技术中提出一种由于暴露终端引起的信道利用率低等问题的解决方法，此方法基于节点表机制，让暴露终端充分利用休眠等待的传播时延，在解决暴露终端问题的同时，提高了信道利用率，减小了网络平均时延，提高了水声通信网络的质量。图2为节点表机制示意图，水声节点完成时钟和坐标参考的同步后，通过广播BI消息获取网络中邻节点的MAC地址和坐标信息，并将这些信息存储在自己的表中，节点可以在存储表中查询到其所有的邻节点信息。在一段周期后，网络中的所有节点再次广播更新后的BI信息，节点接收相应邻节点的广播信息来更新自身的存储表。节点接收到发送节点的数据帧后，判断本节点的MAC地址是否与数据帧中携带的目的MAC地址匹配。如果匹配，则接收该数据帧；如果不匹配，则根据存储表判断目的MAC地址是否是本节点的邻节点，如果不是，则表示本节点是暴露终端，此时可通过存储表中的坐标信息计算出本节点与发送节点之间的距离，发送节点也可以通过存储表计算与目的节点之间的距离，从而得到相应的传播时延。进而可以利用这些传播时延，提高信道利用率，减小网络平均时延，增加网络吞吐量。基于以上的暴露终端问题以及表机制，提出利用传播时延的暴露终端解决方法。如图3所示，假设节点A发送RTS包的时刻为tRTS/A，由存储表得到节点A与接收节点B之间的距离为dAB，节点A与邻节点C之间的距离为dAC，节点C与节点D之间的距离为dCD。暴露终端C与其他节点D的通信受发送节点A干扰的时间区域计算包括以下步骤：1)计算出各节点之间的传播时延：传播距离/传播速度+保护时间。由于不同时刻声波在水中的传播速度rate有一定的变化，因此引入一个保护时间guardtime来抵抗水中声速的这种变化。节点A与接收节点B之间的传播时延：TAB＝dAB/rate+guardtime节点A与接收节点C之间的传播时延：TAC＝dAC/rate+guardtime节点C与接收节点D之间的传播时延：TCD＝dCD/rate+gu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)为水声通信网络中的每个节点构建一个节点表，具体如下：(1.1)节点表的初始化：完成网络中各节点的时钟和坐标的同步；(1.2)节点表的存储：节点在水声网络中发送广播消息BI，广播消息中包含本节点的MAC地址以及MAC地址对应的坐标信息；网络中的节点接收到来自邻节点发来的广播消息后，将广播消息中携带的邻节点的MAC地址以及相应的坐标信息存储在自己的节点表中，本节点可以在节点表中查询到其所有的邻节点信息；(1.3)节点表的更新：在设定周期内，网络中的所有节点更新各自的广播消息BI，并将其广播至水声通信网络中，节点接收邻节点的广播消息后更新自身的节点表；(2)水声节点接收到来自发送节点的数据帧后，判断本节点的MAC地址是否与数据帧中携带的目的MAC地址匹配；如果匹配，则接收该数据帧；如果不匹配，节点不休眠，执行步骤(3)；(3)将数据帧中的目的MAC地址与本节点的节点表中存储的邻节点MAC地址对比，判断目的MAC地址是否在本节点的节点表中；如果目的节点在本节点的节点表中，则表示本节点与发送节点和接收节点互为邻节点，此时本节点进入休眠状态；如果目的节点不在本节点的节点表中，则表示目的节点不是本节点的邻节点，本节点判断为暴露终端，执行步骤(4)；(4)为了利用传播时延，同时避免本节点与其他节点的通信和发送节点与接收节点之间的通信发生碰撞，本节点需要在发送节点的RTS以及DATA包到来时处于空闲状态，其余时间都可与其他节点进行通信，具体为：(4.1)计算当来自其他节点的ACK包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点发送DATA包的禁止时间；(4.2)计算当来自其他节点的CTS包以及本节点发送的DATA包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点接收CTS包的禁止时间；(4.3)计算当本节点发送的RTS包与来自发送节点的RTS以及DATA包发生碰撞时，本节点发送RTS包的禁止时间；(4.4)结合步骤(4.1)和(4.2)中得到的本节点发送DATA包、接收CTS包的禁止时间，推导出本节点发送RTS包的禁止时间，再结合步骤(4.3)，得到本节点发送RTS包的所有禁止时间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于表机制利用传播时延的水声节点暴露终端解决方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)为水声通信网络中的每个节点构建一个节点表，具体如下：(1.1)节点表的初始化：完成网络中各节点的时钟和坐标的同步；(1.2)节点表的存储：节点在水声网络中发送广播消息BI，广播消息中包含本节点的MAC地址以及MAC地址对应的坐标信息；网络中的节点接收到来自邻节点发来的广播消息后，将广播消息中携带的邻节点的MAC地址以及相应的坐标信息存储在自己的节点表中，本节点可以在节点表中查询到其所有的邻节点信息；(1.3)节点表的更新：在设定周期内，网络中的所有节点更新各自的广播消息BI，并将其广播至水声通信网络中，节点接收邻节点的广播消息后更新自身的节点表；(2)水声节点接收到来自发送节点的数据帧后，判断本节点的MAC地址是否与数据帧中携带的目的MAC地址匹配；如果匹配，则接收该数据帧；如果不匹配，节点不休眠，执行步骤(3)；(3)将数据帧中的目的MAC地址与本节点的节点表中存储的邻节点MAC地址对比，判断目的MAC地址是否在本节点的节点表中；如果目的节点在本...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鸿，姚炜民，卓晓晓，瞿逢重，吴叶舟，鲁泓颍，马东方，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33