[發明專利]基于無人船的動態接入水聲通信網絡協議的方法

在審

• 申請號: 201610986882.2
• 申請日: 2016-11-10
• 公開（公告）號: CN106850082A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 李剛生;高寶儒;張玲;劉蘭軍;金久才
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04L12/24;H04L29/06;H04W24/06;H04W84/18
• 代理公司: 山東重諾律師事務所37228
• 代理人: 劉明鋒

技術領域

本發明屬于網絡通信技術領域，具體涉及一種無人船動態接入水聲通信網絡的協議設計方法。

背景技術

隨著無人平臺的興起和相關技術的成熟完善，無人船平臺逐漸成為海洋技術研發的一個熱點。近十年來已有超過10個國家40多個海洋研究單位開發了不同用途的無人船，應用包括環境監測、海洋測繪、水上水下通訊中繼等，主要開展了針對海洋研究對象的自動控制、數據處理等。雖然無人船受海洋環境影響較大，但隨著相關技術的發展，無人船的基礎驅動控制發展已較為完善，而面向任務的調度優化仍是無人船未來發展的重點，也是其應用的優勢和重要形式。水聲通信是一種長距離水下通信方式。目前點對點水聲通信逐漸發展到應用階段，已有多種商業化水聲Modem，例如德國Evologics公司、美國Teledyne Benthos公司、美國LinkQuest公司等。雖然點對點水聲通信已走向應用，但支持水聲網絡的技術還在發展中，研究基于商業化水聲產品實現網絡化數據回收是一個有價值的研究問題。

無人船與水聲通信結合，可形成水聲傳感器監測網絡數據回收的一種新途徑。數據優化回收的接入協議，是指平臺與各個節點間的通信接入協議。目前多址接入協議可以分為非競爭式、競爭式和混合式三種。非競爭協議主要包括時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、頻分多址(FDMA)。因為受水聲通信帶寬的限制，FDMA是不現實的，而CDMA技術對于水聲Modem的物理層有嚴格要求，目前支持CDMA的水聲Modem產品并不多見。另一種接入方式是TDMA，其本質上是基于時間調度的，它的最大特點就是對物理層依賴少，這樣可以利用產品級的水聲Modem，通過開發上層協議來實現接入。競爭協議 主要分為隨機接入和基于握手協議兩種，主要進行短幀傳輸，應對突發情況?；旌蠀f議結合兩者的優勢來處理更復雜的數據通信情況。針對無人船的通訊特點，現有的技術存在數據回收效率低，成本高，易受人損壞的不足之處。

發明內容

為了克服現有技術的不足，提出了一種無人船搭載水聲節點動態接入水聲通信網的接入協議方法，所述方法為水聲傳感器監測網數據回收提供了一種新的思路和接入協議設計方法，實現自主、無線的數據回收，提高數據回收的可靠性和效率。

本發明的技術方案為，基于無人船的動態接入水聲通信網絡協議的方法，所述方法按照無人船通信時的運動狀態，設計了無人船移動模式和固定模式協議方法，所述無人船移動模式協議方法是基于無人船移動特性的混合協議，在刷新重組階段中，采用隨機競爭協議，無人船作為簇頭，水聲節點向無人船發送J/L/S短幀包進行預約，刷新重組成簇；在數據傳輸階段，改進時分多址協議，對無人船移動引起的偏差加入了個性化時間補償方案；所述無人船固定模式協議方法是以通信距離強度模型為基礎，以通信消耗模型和回收信息量模型為性能衡量指標，確定不同水聲通信能力、節點接入方式、協議數據傳輸周期和無人船航行路徑對水聲監測網數據回收性能的影響，設計接入協議參數，實現能效最優的數據回收。

本發明的有益效果：

1)本發明為水聲傳感器監測網數據回收提供了一種新的思路和接入協議設計方法，能夠實現自主的、無線的數據回收，并且利用無人船的機動性來彌補水聲通信的不確定性，提高數據回收的可靠性和效率；

2)針對無人船不同的應用場景，設計出無人船搭載水聲節點動態接入水聲 監測網的不同接入協議方法，分別為移動模式協議設計和固定模式協議設計；

3)在無人船移動模式下，設計了一種基于無人船移動特性的混合協議，結合了隨機接入協議和時分多址協議的優勢，并在數據傳輸階段設計了改進時分多址協議，對無人船移動引起的網絡拓撲結構的變化加入了個性化時間補償方案。

4)在無人船固定模式下，設計了一種接入協議邏輯，以實驗數據驗證的通信強度模型為基礎，以通信消耗模型和回收信息量模型為性能衡量指標，確定不同水聲通信能力、節點接入方式、協議數據傳輸周期和無人船航行路徑對水聲監測網的數據回收性能的影響，設計最終的接入協議參數，實現能效最優的數據回收。

附圖說明

圖1是本發明無人船動態接入水聲通信網協議設計方法示意圖。

圖中，1、是隨機競爭協議；2、是改進時分多址協議；3、是無人船通信半徑；4、是節點接入方式；5、是協議數據傳輸周期；6、是無人船航行路徑。

圖2是無人船移動模式數據回收網絡結構示意圖。

圖3是無人船固定模式數據回收網絡結構示意圖。

圖4是無人船移動模式協議方法超幀結構示意圖。

具體實施方式