基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，针对无人船不同的应用场景设计了不同的接入协议方法，分别为无人船移动模式和固定模式协议方法。无人船移动模式协议方法是基于无人船移动特性的混合协议，在刷新重组阶段中，采用随机竞争协议，无人船作为簇头，水声节点向无人船发送J/L/S信号进行预约，刷新重组成簇；无人船固定模式协议方法是以通信距离强度为基础，以通信能耗和回收信息量为性能衡量指标，确定不同水声通信能力、节点接入方式、协议数据传输周期和无人船航行路径对水声监测网数据回收性能的影响。本发明专利技术所述方法为水声传感器监测网数据回收提供了一种新的思路和接入协议设计方法，实现自主、无线的数据回收。

【技术实现步骤摘要】
基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法
本专利技术属于网络通信
，具体涉及一种无人船动态接入水声通信网络的协议设计方法。
技术介绍
随着无人平台的兴起和相关技术的成熟完善，无人船平台逐渐成为海洋技术研发的一个热点。近十年来已有超过10个国家40多个海洋研究单位开发了不同用途的无人船，应用包括环境监测、海洋测绘、水上水下通讯中继等，主要开展了针对海洋研究对象的自动控制、数据处理等。虽然无人船受海洋环境影响较大，但随着相关技术的发展，无人船的基础驱动控制发展已较为完善，而面向任务的调度优化仍是无人船未来发展的重点，也是其应用的优势和重要形式。水声通信是一种长距离水下通信方式。目前点对点水声通信逐渐发展到应用阶段，已有多种商业化水声Modem，例如德国Evologics公司、美国TeledyneBenthos公司、美国LinkQuest公司等。虽然点对点水声通信已走向应用，但支持水声网络的技术还在发展中，研究基于商业化水声产品实现网络化数据回收是一个有价值的研究问题。无人船与水声通信结合，可形成水声传感器监测网络数据回收的一种新途径。数据优化回收的接入协议，是指平台与各个节点间的通信接入协议。目前多址接入协议可以分为非竞争式、竞争式和混合式三种。非竞争协议主要包括时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)。因为受水声通信带宽的限制，FDMA是不现实的，而CDMA技术对于水声Modem的物理层有严格要求，目前支持CDMA的水声Modem产品并不多见。另一种接入方式是TDMA，其本质上是基于时间调度的，它的最大特点就是对物理层依赖少，这样可以利用产品级的水声Modem，通过开发上层协议来实现接入。竞争协议主要分为随机接入和基于握手协议两种，主要进行短帧传输，应对突发情况。混合协议结合两者的优势来处理更复杂的数据通信情况。针对无人船的通讯特点，现有的技术存在数据回收效率低，成本高，易受人损坏的不足之处。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，提出了一种无人船搭载水声节点动态接入水声通信网的接入协议方法，所述方法为水声传感器监测网数据回收提供了一种新的思路和接入协议设计方法，实现自主、无线的数据回收，提高数据回收的可靠性和效率。本专利技术的技术方案为，基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，所述方法按照无人船通信时的运动状态，设计了无人船移动模式和固定模式协议方法，所述无人船移动模式协议方法是基于无人船移动特性的混合协议，在刷新重组阶段中，采用随机竞争协议，无人船作为簇头，水声节点向无人船发送J/L/S短帧包进行预约，刷新重组成簇；在数据传输阶段，改进时分多址协议，对无人船移动引起的偏差加入了个性化时间补偿方案；所述无人船固定模式协议方法是以通信距离强度模型为基础，以通信消耗模型和回收信息量模型为性能衡量指标，确定不同水声通信能力、节点接入方式、协议数据传输周期和无人船航行路径对水声监测网数据回收性能的影响，设计接入协议参数，实现能效最优的数据回收。本专利技术的有益效果：1)本专利技术为水声传感器监测网数据回收提供了一种新的思路和接入协议设计方法，能够实现自主的、无线的数据回收，并且利用无人船的机动性来弥补水声通信的不确定性，提高数据回收的可靠性和效率；2)针对无人船不同的应用场景，设计出无人船搭载水声节点动态接入水声监测网的不同接入协议方法，分别为移动模式协议设计和固定模式协议设计；3)在无人船移动模式下，设计了一种基于无人船移动特性的混合协议，结合了随机接入协议和时分多址协议的优势，并在数据传输阶段设计了改进时分多址协议，对无人船移动引起的网络拓扑结构的变化加入了个性化时间补偿方案。4)在无人船固定模式下，设计了一种接入协议逻辑，以实验数据验证的通信强度模型为基础，以通信消耗模型和回收信息量模型为性能衡量指标，确定不同水声通信能力、节点接入方式、协议数据传输周期和无人船航行路径对水声监测网的数据回收性能的影响，设计最终的接入协议参数，实现能效最优的数据回收。附图说明图1是本专利技术无人船动态接入水声通信网协议设计方法示意图。图中，1、是随机竞争协议；2、是改进时分多址协议；3、是无人船通信半径；4、是节点接入方式；5、是协议数据传输周期；6、是无人船航行路径。图2是无人船移动模式数据回收网络结构示意图。图3是无人船固定模式数据回收网络结构示意图。图4是无人船移动模式协议方法超帧结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。参见图1至图4所示，本专利技术一种基于无人船的接入协议方法，所述方法按照无人船通信时的运动状态，设计了不同的接入协议方法，分别为无人船移动模式和固定模式协议方法。针对无人船在移动过程中进行数据回收的情景，设计移动模式协议方法，无人船移动回收数据网络结构示意图，如图2所示，网络拓扑结构随着无人船的移动而发生变化，在无人船通信范围内且有数据传输的水声节点传输监测数据到无人船，采用单跳的方式传输。移动模式接入协议方法需要设计超帧结构，如图3所示。帧结构中数据包时隙为：式(1)中，L为数据包长度，r为水声节点数据传输率；时分多址协议中水声节点的保护时隙为：式(2)中，σ为水声环境中的时延抖动，其随距离增大而增大；时分多址协议中，每个水声节点接收到无人船Broadcast帧后的延时时间为：式(3)中，di为每个水声节点与无人船间的距离；个性化时间补偿时隙为：式(4)中，vUSV为无人船的航行速度，c为声波的速度，Tp(k)为第k个节点的保护时隙，d1为最近的水声节点与无人船间的距离；式(5)中，Ltotal为当前簇内数据包总长度、Ld单个数据包长度，Nc当前簇内的水声节点数目；移动模式协议方法步骤：M1：无人船按规定路径自主航行，匀速行驶进入水声传感器监测网络；M2：无人船作为簇头，水声节点采用随机竞争协议，开始进行刷新重组阶段；M3：无人船广播唤醒信号sw，在通信范围内且准备开始传输数据的水声节点处于Wakeup状态，传输数据完毕或没有数据传输的节点处于Idle状态，传输数据还未结束的节点处于Stay状态；M4：处于wakeup状态的节点，采用随机退避算法发送Join信号，处于Idle状态的节点发送Leave信号或不发送信号，处于Stay状态的节点发送Stay信号；M5：发送Join信号和Stay信号的节点ID加入current_cluste_list列表，发送Leave信号的节点移除current_cluste_list列表；M6：无人船根据current_cluste_list列表更新成簇，更新后的簇内节点采用改进时分多址协议进行数据传输阶段；M7：根据current_cluste_list列表中的水声节点信息，广播Broadcast信号进行分配时隙，计算公式见公式(2)-(4)；M8：簇内节点接收到Broadcast信号后，在规定的时隙内发送数据，其余时隙处于Listen状态；M9：簇内节点进行数据传输DTP次，计算公式见公式(5)；M10：无人船匀速按设计轨迹自主航行，重复刷新重组步骤M3-M5和数据传输步骤M7-M9，直到满足数据回收要求，无人船停止航行。利用无人船自动控制能力，可以适用于无人船在通信过程中固定不动，保证回收数据正确率的情景，设计固定模本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，其特征是：所述方法按照无人船通信时的运动状态，设计了无人船移动模式和固定模式协议方法，所述无人船移动模式协议方法是基于无人船移动特性的混合协议，在刷新重组阶段中，采用随机竞争协议，无人船作为簇头，水声节点向无人船发送J/L/S短帧包进行预约，刷新重组成簇；在数据传输阶段，改进时分多址协议，对无人船移动引起的偏差加入了个性化时间补偿方案；所述无人船固定模式协议方法是以通信距离强度模型为基础，以通信消耗模型和回收信息量模型为性能衡量指标，确定不同水声通信能力、节点接入方式、协议数据传输周期和无人船航行路径对水声监测网数据回收性能的影响，设计接入协议参数，实现能效最优的数据回收。

【技术特征摘要】
1.基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，其特征是：所述方法按照无人船通信时的运动状态，设计了无人船移动模式和固定模式协议方法，所述无人船移动模式协议方法是基于无人船移动特性的混合协议，在刷新重组阶段中，采用随机竞争协议，无人船作为簇头，水声节点向无人船发送J/L/S短帧包进行预约，刷新重组成簇；在数据传输阶段，改进时分多址协议，对无人船移动引起的偏差加入了个性化时间补偿方案；所述无人船固定模式协议方法是以通信距离强度模型为基础，以通信消耗模型和回收信息量模型为性能衡量指标，确定不同水声通信能力、节点接入方式、协议数据传输周期和无人船航行路径对水声监测网数据回收性能的影响，设计接入协议参数，实现能效最优的数据回收。2.根据权利要求1所述的基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，其特征是：所述无人船移动模式协议方法，其数据通信帧结构中数据包时隙为：式(1)中，L为数据包长度，r为水声节点数据传输率；时分多址协议中水声节点的保护时隙为：式(2)中，σ为水声环境中的时延抖动，其随距离增大而增大；时分多址协议中，每个水声节点接收到无人船Broadcast帧后的延时时间为：式(3)中，di为每个水声节点与无人船间的距离；个性化时间补偿时隙为：式(4)中，vUSV为无人船的航行速度，c为声波的速度，Tp(k)为第k个节点的保护时隙，d1为最近的水声节点与无人船间的距离；式(5)中，Ltotal为当前簇内数据报包总长度、Ld单个数据包长度，Nc当前簇内的水声节点数目；移动模式协议方法步骤：M1：无人船按规定路径自主航行，匀速行驶进入水声传感器监测网络；M2：无人船作为簇头，水声节点采用随机竞争协议，开始进行刷新重组阶段；M3：无人船广播唤醒信号sw，在通信范围内且准备开始传输数据的水声节点处于Wakeup状态，传输数据完毕或没有数据传输的节点处于Idle状态，传输数据还未结束的节点处于Stay状态；M4：处于wakeup状态的节点，采用随机退避算法发送Join信号，处于Idle状态的节点发送Leave信号或不发送信号，处于Stay状态的节点发送Stay信号；M5：发送Join信号和Stay信号的节点ID加入current_cluste_list列表，发送Leave信号的节点移除current_cluste_list列表；M6：无人船根据current_cluste_list列表更新成簇，更新后的簇内节点采用改进时分多址协议进行数据传输阶段；M7：根据current_cluste_list列表中的水声节点信息，广播Broadcast信号进行分配时隙，计算公式见公式(2)-(4)；M8：簇内节点接收到Broadcast信号后，在规定的时隙内发送数据，其余时隙处于Listen状态；M9：簇内节点进行数据传输DTP次，计算公式见公式(5)；M10：无人船匀速按设计轨迹自主航行，重复刷新重组步骤M3到M5和数据传输步骤M7到M9，直到满足数据回收要求，无人船停止航行。3.根据权利要求1所述的基于无人船的动态接入水声通信网络协议的方法，其特征是：在所述无人船固定模式协议方法中，无人船总回收信息量可表示为：Pr(xUSV(j),xi)＝h(s(d,t))(7)式(6)和式(7)中，I(P)为无人船回收的信息量，xi,i∈N,N＝{1,2,...,n}为传感器节点位置，xUSV(j),j∈M,M＝{1,2,...,ω}为无人船位于第j簇簇头的位置，I(Yi)为i节点发送成功的信息量，Pr(xUSV,xi)为基于通信距离强度的通信概率函数；P＝[xUSV(1),xUSV(2),...,xUSV(ω)]为无人船的一条航行路径；根据实验数据，通信距离强度可表示为：式(8)中，d(j)＝D(xUSV(j),xi...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚生，高宝儒，张玲，刘兰军，金久才，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37