[发明专利]一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法

说明书

本发明公开了一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法，用于全连通结构的基于竞争协议的水声通信网络、水声传感网等场合，在握手阶段RTS/CTS信令采用并发式的时分复用机制并行地传输，可以完全消除RTS/CTS信令的冲突，避免现有方法因节点无法准确掌握同一传输周期内所有握手成功的节点对而错误计算发送数据的时间带来的数据传输冲突，同时又能减少握手的时间，提高传输效率；上一数据传输状态中的ACK/NACK信令在下一握手状态的RTS或CTS时隙发送，无需单独安排时间进行传输，使信道的利用效率更高效。发明提供了两种休眠机制，能有效地减少节点的能耗，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有重要的作用。

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种无冲突的竞争信道水声网络并行通信方法。

背景技术

静态的水声通信网络通常由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点构成，它们之间通过双向声链路组成分布式、多节点、大覆盖面积的水下三维网络，可以对水下信息进行采集、处理、分类、压缩等操作，并能将信息通过水下节点以中继方式回传到陆基或船基的信息中心。

媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)是水声通信网络络的关键技术，决定了节点共享水声信道资源的方式，其性能直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。水声信道时延长的特点是影响水声网络 MAC协议性能的最主要因素之一，长时延使得冲突对水声网络性能的影响远大于陆上的无线网络，因此在竞争信道的水声网络中，有一大类MAC 协议采用了握手技术来避免冲突。但在现有的基于握手的水声网络MAC 协议中，受水下带宽的限制，每个传输周期通常只有一对节点可以相互通信，这种串行的节点交互方式在长时延的水声环境下存在以下不足之处： (1)等待信息到达的空闲时间在传输过程中占的比例较大且无法利用。在水下，源节点发送的信息到达目的节点需要较长的时间，在每个传输周期只有一对节点可以通信的情况下，等待信息到达的空闲时间无法利用，其在传输过程中占的比例越大，频谱资源的浪费越多。(2)多对节点的通信需要多个传输周期，多次的握手使得传输效率不高。由于声波在水中的传播速度低，握手过程往往需要较长的时间才能完成，多次的握手会显著降低有用信息的传输效率。

为了解决上述问题，中国发明专利CN201410714302.5和中国发明专利CN201610697973.4分别提供了一种适用于全静态节点水声网络和包含运动节点水声网络的多节点并行通信方法，上述方法能让多组节点在同一个传输周期内无冲突地并行传输数据，可以有效地提高信道的利用效率，减少通信的平均时延。中国发明专利CN201611159045.9中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并行传输的前提下，有效地减少一个传输周期所需的时间，从而提高信道利用效率。中国发明专利201710064153.6提供了一种节点发送时间和功率联合优化的水声网络通信方法，该方法通过控制节点的发送功率，在数据传输阶段将全连通网络转化为多个互不连通的子网，每个子网独立规划节点发送时间，子网间同时传输，子网内并发传输，能有效地减少一个传输周期所需的时间，提高信道利用效率，降低能耗。

上述方法均能有效提高现有基于握手的水下竞争MAC协议的性能，但由于这些方法要求源节点准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点信息，并据此规划发送数据的时间，因此在实际应用中仍存在以下不足：(1)在握手阶段RTS/CTS的冲突会引起传输错误。在上述方法中，由于握手阶段RTS/CTS的发送是随机的，因此不可避免地存在冲突的可能，使需要通信的节点无法准确地知道在同一传输周期内所有握手成功的节点对，因而错误计算发送数据的时间；(2)ACK/NACK信令的传输效率较低。上述方法中，当所有节点的数据传输完成后，需要单独安排一段时间来供目的节点发送ACK/NACK信令，这段额外的开销时间在整个传输周期中占有一定比例，降低了信道利用率。(3)未包含休眠机制。上述方法中均未包含休眠机制，在水下节点能量受限，充能不易的情况下具有较明显的局限。

发明内容