一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法
本专利技术涉及一种适用于水下滑翔机组网的动态MAC协议。
技术介绍
水声无线传感网络(UAWSNs)在海洋资源勘探、海洋环境监控等方面中发挥重要作用。然而由于光波及电磁波在水中传播衰减严重，声波在水中的衰减远小于光波和电磁波，故更适用于水下长距离通信，因此中采用声波进行通信。而水声信道具有带宽窄、传输时延大及时空不确定性等特点，给UAWSNs的研究带来诸多挑战。此外，UAWSNs在部署和应用中也面临诸多问题，如检测区域固定、节点投放与回收难度大。水下滑翔机的加入，提高了水下传感器网络对海洋物理现象及目标的跟踪和探测能力。因此，采用水下滑翔机组成的水下移动网络完成协同探测等复杂任务具有重要研究意义。与一般海洋监测所具有的广阔性相比，单个水下滑翔机活动区域有限，而多滑翔机网络可扩大任务区域，多滑翔机编队还可以完成协同探测及其他复杂任务。传统MAC协议针对节点固定的静态水下传感网络，在网络拓扑不变的基础上采用预约/休眠方法进行信道分配，节约能量。而水下滑翔机的运动导致网络拓扑的改变，若将此类协议直接用于水下滑翔机组网，会造成不可靠的信道分配。此外，传感器节点因洋流等因素的作用具有一定移动性，因此，UGN采用的MAC协议需考虑UGN与静态水下传感网络的差异而做出改变。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的提供一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法。本专利技术采取以下技术方案：一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突,包括如下几个方面：(1)基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；(2)时隙计算：时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发，各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包，B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个包时，源水下滑翔机的位置与接收到该包时目的水下滑翔机位置之间的距离，A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，ε为误差允许时间。(3)冲突避免：设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，时隙最小化的优化问题表示为:其中，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，d(α)表示发送信息前水下滑翔机间的初始距离，va表示滑翔机的运动速度，约束条件C1是一个关于β的表达式，将该优化问题应用混合整数规划方法求解。(4)团队协作：各组水下滑翔机间的通信由它们的领队水下滑翔机完成，设参与协作的团队为A组、B组和C组，各组水下滑翔机的领队默认由水下滑翔机A1担任。A组的水下滑翔机A1担任领队在新时隙初向B组发送请求信号，到达B组后由B组领队负责接收处理。后续时隙A组领队与B组领队相互通信，当C组领队向B组发送REQUEST信号，B组内由B2号水下滑翔机负责接收，并向C领队发送BUSY信号，以防止A组与B组之间的通信受到影响，C会进入等待状态，直至某一时隙A与B通信结束，此时B组内的领队由B2号水下滑翔机担任，C组收到B组的CLEAR信号退出等待状态，B组与C组进入正常通信。附图说明图1为本专利技术的结构流程图；图2为本专利技术的场景示意图；图3为时隙组成结构图；图4为本专利技术的收发时序图；图5为地面坐标系和本体坐标系转换关系图。具体实施方式本专利技术提出的水下滑翔机组网的动态MAC协议利用水下滑翔机模型运动特点，基于支持向量机(SVM)回归定位方法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位[1]，然后利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，可进行动态分配时隙和预约收发。收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。位置预测方法是基于SVM目标位置预测方法[2],该定位方法在无线传感网节点定位中具有比较高的准确率。利用水下滑翔机运动特点，基于其已有的水下运动轨迹曲线方程，可知在已知时刻的位置坐标，利用支持向量回归预测模型对运动目标节点进行位置预测。如“海燕号”水下滑翔机，已知时刻的水下运动轨迹曲线方程为：其中，表示由本体坐标系SB到大地坐标系SE的转换矩阵，三个姿态角分别定义为地面坐标系SE绕EY轴逆时针旋转ψ角，坐标系Ex1Yz1绕Ez1轴逆时针旋转θ角，坐标系Exy1z1绕Ex轴逆时针旋转φ角，原点为E。而支持向量回归定位方法分为学习和定位两个阶段，学习阶段意在建立SVM定位回归函数，定位阶段意在建立SVM回归定位模型，将运动目标节点接收到的跳数信息作为测试样本，使用建立的SVM定位回归函数来估计目标节点各个时刻位置。核函数选择高斯径向基核，x-xi定义为空间中任一点x到某一中心xi之间欧氏距离，为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。动态MAC协议的信道分配方法包括时隙计算和冲突避免两部分。时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发。各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包。B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个包时，源水下滑翔机的位置与接收到该包时目的水下滑翔机位置之间的距离，A和B的总可通信时间区间表示为[T1,T2]，ε为误差允许时间。由于每次的发送都是在新时隙初始，故为避免等待时间过长，设开始发送的时间已知为α，接收结束时间记为β，时隙最小化的优化问题表示为:其中，tr表示接收时间，ts表示发送时间，t表示传输时间，vt是声音在水中的传播速度，d(β)表示从开始发送到结束接收时水下滑翔机之间的距离，d(α)表示发送信息前水下滑翔机间的初始距离，va表示滑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。包括如下几个方面：(1)基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；(2)时隙计算：时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发，各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包，B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：TR+TC+TD+TA+ε＜T2‑T1

【技术特征摘要】
1.一种适用于水下滑翔机组网的动态信道分配方法，基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；然后根据位置信息求得水下滑翔机之间通信时间所受的约束条件，建立时隙的最优化模型；在解出每次通信所需的最优时隙长度后，进行动态分配时隙和预约收发,收发过程中利用团队协作的方式避免冲突。包括如下几个方面：(1)基于支持向量机回归算法对已知时刻运动目标滑翔机进行定位，利用运动目标位置对未来时刻运动目标位置进行预测分析；(2)时隙计算：时序收发安排得到收发包所耗时长关系式，根据距离和时间的约束条件得到时隙的最优解，分配时隙进行收发，各组水下滑翔机之间收发包采用REQUEST/CLEAR形式：当A组水下滑翔机要向B组水下滑翔机发送数据时，在一个时隙起始发送REQUEST请求信号，在该时隙内，B完成接收REQUEST的过程，在下一个时隙开始向A回复CLEAR信号确认接收，只要A接收到CLEAR信号，在下一时隙开始发送数据包，B组目的水下滑翔机接收数据后，回复ACK信号，完成一次通信，表示如下：TR+TC+TD+TA+ε＜T2-T1其中，Vs为发送速度，VR为接收速度，TR、TC、TD和TA分别为REQUEST包、CLEAR包、DATA包和ACK包的收发时间，L表示包长，D表示发送一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：金志刚，吴婷，罗咏梅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12