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技术

本发明专利技术公开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。本发明专利技术的每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送数据的顺序及时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；当所有源节点的数据发送完毕后，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送ACK或NACK信令的顺序及时刻，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。该方法能在实现节点数据无冲突地并行传输的前提下，有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及水声通信领域，特别是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。
技术介绍
水声通信网络在水下勘探、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，随着海洋的探索和资源开发利用等活动的增加，对高性能水声通信网络的需求将越来越大。按信道使用方式的不同，现有水声通信网络大致可以分为两类，一类是固定分配信道，即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，但对于突发数据的传输效率不高。另一类是竞争使用信道，即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。在竞争使用信道的水声网络中，握手是最常用的一种冲突避免技术，例如，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，但由于水声信道的时延很长，现有技术存在着以下的不足：(1)信道利用率低。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，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，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，通信时间长。针对现有技术的上述问题，中国专利技术专利CN201410714302中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并行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。但在该方法中，节点发送信息的顺序未做优化处理。由于该方法是利用水下节点间信息传输存在较大时延的特点，采用让节点提前发送信息的方法来实现互不干扰的并行传输，以达到提高传输效率、减少时间的目的，因此不同的节点发送顺序将会显著影响节点发送数据的时间，从而影响到整个传输的效率，而中国专利技术专利CN201410714302中仅提供了一种按预定优先级来安排节点发送数据顺序的方法，未能对节点的发送顺序进行进一步的优化，限制了其性能的提高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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地并行传输的前提下，有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，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，具体步骤如下：步骤1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，需要发起通信的源节点广播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2：每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送数据的顺序及时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据。步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送ACK或NACK信令的顺序及时刻，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(表示发来的数据已确认接收无误)信令，接收数据有错误的目的节点向相应的源节点发送NACK(表示发来的数据接收有误)信令。上述步骤2和3中，需要发送数据的源节点或需要发送ACK/NACK的目的节点，采用以下方法计算本节点在传输周期中发送信息的顺序：步骤A：设置一个具有N+2个状态的状态机，其中N为需要发送信息(数据或ACK/NACK信令)的节点的数目。上述N+2个状态包括与N个需要发送信息的节点一一对应的状态ST1～STN、起始状态和结束状态，状态ST1～STN之间可以相互转移，起始状态可以转移至状态ST1～STN，状态ST1～STN可以转移至结束状态。步骤B：创建从起始状态转移至状态ST1～STN的N条转移路径，初始化上述N条路径的累积权重为0，设置迭代次数r＝0。步骤C：对当前的每条幸存路径(幸存路径为待进入状态STi(i＝1～N)的路径中，累计权重最小的路径。刚开始迭代(r＝0)时，为从起始状态到状态STi(i＝1～N)的路径)，在状态集合Q＝{ST1,ST2,…,STN}中删除该路径中已包含的状态，得到状态集合Qk,r，其中k为幸存路径的序号，计算该路径从当前状态转移至Qk,r中所有状态的累积权重。步骤D：对有路径转入的状态STi(i＝1～N)，选择路径累积权重最小的m路径为幸存路径，并将所述的m幸存路径的当前状态设置为状态STi，删除其他进入该状态的路径，其中1≤m≤Mi，Mi为转入状态STi的路径数目。步骤E：若r<N，则r＝r+1，并转至步骤C，否则所有幸存路径从当前状态转移至结束状态，记录下累积权重最小的幸存路径所经过状态的顺序，即为网络中节点发送数据的顺序。上述步骤C中，源节点发送的数据具有相同的长度，对于发送数据的源节点，路径的累积权重及路径中所包含的状态对应的源节点的数据发送时刻采用以下方法计算：以最后一个CTS信令中的时间标签为0时刻，第k条幸存路径中包含的状态所对应的节点的发送数据时刻为其中skl和dkl分别为第k条幸存路径中发送顺序为l的源节点和相应的目的节点，为第k条幸存路径中发送顺序为l的源节点发送数据的时刻，为数据从ski传输到dkj的时延，为第k条幸存路径中发送顺序为j的源节点发送数据的时刻，为数据从skj传输到dkl的时延，为数据从skl传输到dkl的时延，为数据从skj传输到dkj的时延，为数据从skl传输到dkj的时延，Pdata为发送数据包的持续时间，C为预设的保护时间，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数；在第r步的累积权重为上述步骤C中，目的节点发送的ACK/NACK信令具有相同的长度，对于发送ACK/NACK信令的目的节点，路径的累积权重及路径中所包含的状态对应的目的节点的ACK/NACK信令发送时刻采用以下方法计算：以最后一个数据包中的时间标签为0时刻，第k条幸存路径中所包含的状态所对应的目的节点的发送ACK/NACK信令时刻为其中dkl和skl分别为第k条幸存路径中发送顺序为l的目的节点和相应的源节点，为第k条幸存路径中发送顺序为l的目的节点发送ACK/NACK信令的时刻，，为第k条幸存路径中发送顺序为j的目的节点发送ACK/NACK的时刻，为数据从dkj传输到skl的时延，为数据从dkl传输到skl的时延，为数据从dkj传输到skj的时延，为数据从dkl传输到skj的时延，Pack为发送ACK/NACK信令的持续时间，C为预设的保护时间，D为大于水声网络任意两节点间数据传播最大延时的常数；在第r步的累积权重为与现有技术相比，本专利技术的有益之处有：1、减少了一个传本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于包括如下步骤：步骤1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，需要发起通信的源节点广播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传输周期中所有成功握手的通信请求；步骤2：每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送数据的顺序及时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算本节点在传输周期中发送ACK或NACK信令的顺序及时刻，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。

【技术特征摘要】
1.一种节点发送顺序优化的竞争信道水声网络并行通信方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：当信道空闲且有至少1个节点需要发送数据时，需要发起通信的源节点广播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传输周期中所有成功握手的通信请求；步骤2：每个源节点采用相同的非随机算法，计算本节点在本传输周期中发送数据的顺序及时刻，计时至该时刻后，向相应目的节点发送数据；步骤3：当所有源节点的数据发送完毕后，每个目的节点采用相同的非随机算法，计算本节点在传输周期中发送ACK或NACK信令的顺序及时刻，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于步骤2和步骤3中，需要发送数据的源节点或需要发送ACK/NACK的目的节点，采用以下方法计算本节点在传输周期中发送信息的顺序：步骤A：设置一个具有N+2个状态的状态机，其中N为需要发送信息的节点的数目；上述N+2个状态包括与N个需要发送信息的节点一一对应的状态ST1～STN、起始状态和结束状态，状态ST1～STN之间能相互转移，起始状态能转移至状态ST1～STN，状态ST1～STN能转移至结束状态；步骤B：创建从起始状态转移至状态ST1～STN的N条转移路径，初始化上述N条路径的累积权重为0，设置迭代次数r＝0；步骤C：对当前的每条幸存路径，在状态集合Q＝{ST1,ST2,…,STN}中删除该路径中已包含的状态，得到状态集合Qk,r，其中k为幸存路径的序号，计算该路径从当前状态转移至Qk,r中所有状态的累积权重；所述幸存路径为待进入状态STi的路径中，累计权重最小的路径，刚开始迭代即r＝0时，幸存路径为从起始状态到状态STi的路径，i＝1～N；步骤D：对有路径转入的状态STi选择路径累积权重最小的m路径为幸存路径，并将所述的m幸存路径的当前状态设置为状态STi，删除其他进入该状态的路径，其中1≤m≤Mi，Mi为转入状态STi的路径数目；步骤E：若r<N，则使r增加1，并转至步骤C，否则所有幸存路径从当前状态转移至结束状态，记录下累积权重最小的幸存路径所经过状态的顺序，即为网络中节点发送数据的顺序。3.根据权利要求2所述的一种节点发送顺...

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