[發明專利]一種適用于競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法

有效

• 申請號: 201410714302.5
• 申請日: 2014-11-30
• 公開（公告）號: CN104486005A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 張軍;武春花;馮義志;寧更新;季飛;余華;陳芳炯;韋崗
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04W74/08
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及水聲通信領域，特別是一種適用于競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法。

背景技術

水聲通信網絡是水下通信技術研究的一個重要方向，在水下勘探、水下石油開采、戰術監控、污染監測、海嘯預警、輔助導航、生態監控等方面有著廣泛的用途。組建高性能的水聲通信網絡，不但需要解決水下點對點兩個用戶之間的可靠通信，同時還需要考慮多個用戶在共享水介質信道時信息如何高效地交互。水聲信道的頻帶窄、時延長、能量受限等特點使得媒體接入控制技術成為影響水聲通信網絡性能的關鍵因素之一。

在目前的水聲通信網絡中，媒體接入控制技術大致可以分為固定分配信道和競爭使用信道兩種。固定分配信道的方式將整個通信的頻譜資源劃分為多個信道，固定分配給節點單獨使用。這種信道的使用方式可以避免沖突的發生，也無需握手等交互，適用于各節點持續有數據發送的場合，但對于突發數據的傳輸效率不高。在競爭使用信道的方式中，用戶通過競爭獲取信道的使用權，并在一定時間內獨占所有的帶寬，可以較好地滿足突發數據傳輸的要求，但在多個節點同時有數據要發送時，需要使用專門的技術來決定信道的使用權，以避免沖突的發生。

握手是競爭使用信道方式中最常用的一種沖突避免技術。通過握手，需要發送數據的節點可以競爭獲得數據傳輸信道的使用權，避免數據傳輸時產生沖突。CSMA、MACA和FAMA等常用的水聲網絡媒體接入控制協議中均采用了握手機制。但在現有的基于握手的水聲網絡媒體接入控制協議中，每個傳輸周期通常只有一對節點可以相互通信，由于水聲信道的時延很長，這種通信方式存在著以下的不足：

(1)信道利用率低。一個傳輸周期通常包括握手、數據傳輸、傳輸結束三個階段。由于聲波在水中的傳播速度低，握手階段中節點間的信息交互通常需要較長的時間才能完成。而現有基于握手的水聲網絡媒體接入控制協議中每個傳輸周期只允許一對節點通信，使得握手階段耗時在整個傳輸周期中占有較大的比例，有效數據傳輸時間所占比例小，降低了信道的利用率。

(2)多節點通信時平均時延長。在現有基于握手的水聲媒體接入控制協議中，由于每個傳輸周期只允許一對節點通信，因此多對節點需要輪流進入各自的傳輸周期才能完成傳輸，即當前一對節點傳輸完畢后，新的一對節點需要重新進行握手、傳輸數據及結束傳輸的過程，需要較長的時間才能完成多節點之間的通信。

發明內容

針對現有競爭信道水聲網絡中媒體接入控制協議因每個傳輸周期只允許一對節點通信而造成的信道利用率低、多節點通信時平均時延長等不足，本發明提供了一種適用于競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，可以讓水聲網絡中的多個節點在同一個傳輸周期內批量傳輸數據而不發生沖突，能有效地提高信道的利用效率，減少通信的平均時延，可以廣泛用于各種基于競爭協議的水聲通信網、水聲傳感網等場合。

本發明提供的適用于競爭信道水聲網絡的多節點快速通信方法，每個傳輸周期包含握手、傳輸、結束三個階段，具體步驟如下(以下所有縮寫均為本領域的慣用術語)：

步驟A1：當信道空閑且有至少1個節點需要發送數據時，網絡進入握手階段。需要發起通信的節點廣播RTS信令，相應的目的節點若同意通信，則廣播回復CTS信令，直至在預設的時間內再無新的RTS和CTS信令發出，握手階段結束。每個節點偵聽并記錄本次傳輸周期中所有成功握手的通信請求。

步驟A2：握手階段結束后，網絡進入傳輸階段，每個需要發送信息的節點按優先級順序，計算本節點可以無沖突地發送數據至相應目的節點的時刻，計時至該時刻后，向相應目的節點發送數據。

步驟A3：當所有節點的數據發送完畢后，網絡進入結束階段，每個接收到數據的目的節點按優先級順序，計算本節點可以無沖突發送ACK或NACK信令至相應源節點的時刻，計時至該時刻后，接收數據正確的目的節點向相應的源節點發送ACK信令，接收數據有錯誤的目的節點向相應的源節點發送NACK信令。當所有源節點接收到ACK或NACK信令后，本傳輸周期結束。

上述步驟A2中，每個節點發送數據的時刻采用以下方法計算：

步驟A2.1：優先級最高的源節點s₁以最后一個CTS信令中的時間標簽為0時刻，經過預設時間后開始發送數據，其中D_max為水聲網絡任意兩節點間數據傳播的最大延時。上述CTS信令中的時間標簽為該CTS信令發送的時刻。

步驟A2.2：以最后一個CTS信令中時間標簽為0時刻，優先級為i的源節點s_i在以下時刻發送數據給相應的目的節點d_i