一种适用于水声分簇网络的时隙动态调整并发传输方法
技术领域
本发明涉及水声网络、MAC协议设计等领域，主要是一种适用于水声分簇网络的时隙动态调整并发传输方法。
背景技术
在面对某些水下应用时，网络拓扑适合采用易于数据融合的分簇网络结构，分簇网络结构是提高能量有效性的一种网络拓扑，它通过网络层协议将地理位置相邻的若干个节点组合成一个簇，并选举其中一个节点作为簇首，负责收集簇成员采集的环境信息或探测信息，多个局部簇首将收集的信息传输至主汇聚中心，然后由主汇聚中心进行处理。
由于分族式网络的数据流向主要由簇成员向簇首汇聚，因此对于分簇网络内部数据调度协议比较适合采用TDMA型的MAC协议，时隙固定的TDMA型MAC协议为每个簇成员分配固定长度的通信时间及簇首至簇成员的通信时间，在水下高时延的通信环境中，基于时间片的TDMA协议信道利用率太低，同时该协议在只有少量节点有数据发送时，会造成信道利用率的严重下降，导致数据传输时延的增加与网络吞吐量的降低。
发明内容
本发明针对分簇式水声网络的特点，而提供一种适用于水声分簇网络的时隙动态调整并发传输方法，通过合理安排信道，减少信道空隙，达到水声网络传输吞吐量的提高。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种适用于水声分簇网络的时隙动态调整并发传输方法，包括如下步骤：
步骤1：网络初始化，首先布放所有簇成员，簇成员布放入水后，以TE为时间窗，在TE内随机延时一段时间后发送入网请求信号TONE；布放簇首，簇首入水后处于监听状态,当监听到某个簇成员的TONE信号后，立刻向该成员发送PING信号，同时记录对该成员发送了PING；簇成员收到PING信号后，判断目的地址，如果为自身，则回复ECHO信号，同时停止发送TONE信号，如果为其它成员，则停止发送TONE信号一个时间窗TE；簇首收到ECHO信号后，记录自身与该簇成员的传播时延，同时清除该成员的PING发送记录；当簇首在m*TE时间内再未收到任何的TONE信号，则簇首查询本地PING信号发送记录，如有，则启动对该簇成员的PING-ECHO传播时延测定，每个簇成员最多PING k次，直到完成对所有簇成员的传播时延测定，如没有，则转移至步聚2。
步骤2：簇首建立工作时间表，簇首完成请求传输周期TR、数据传输周期TD、网络工作周期TS、簇成员RTS发送时延ΔRTS-i和请求传输周期起始时刻ts的计算，然后编码调制生成系统参数包SYS，并广播发送至各个簇成员，各簇成员在收到SYS包后，更新本地工作参数与状态。TR、TD、TS和ΔRTS-i的计算公式如下：
TR＝τN+N*(TRTS+TGRTS) (1)
TD＝3*τN+TDATA-MAX+TRTR+TACK+TGDATA+TGACK(2)
TS＝TR+TD+Tc-c (3)
ΔRTS-i＝τN+(N-i)*(TRTS+TGRTS)-τi (4)
式中，τ1,τ2,τ3,…τN(τ1<τ2<τ3…<τN)为簇首与簇成员1～N间的传播时延，TRTS为数据传输请求信号(RTS)的时间长度，TGRTS为RTS信号之间的保护时间长度，TDATA-MAX为簇成员至簇首的数据包最大时间长度，TRTR为时间分配包(RTR)的时间长度，TACK为接收确认信号(ACK)的时间长度，TGDATA为数据包保护时间长度，TGACK为ACK包的保护时间长度，Tc-c为簇首间通信周期时间长度，ΔRTS-i表示i号簇成员发送RTS时对应请求传输周期起始时刻的延时。
步骤3：簇成员发送数据传输请求，i号簇成员如有数据需要发送至簇首，则以请求传输周期的开始时刻为起点，延时固定时间ΔRTS-i后发送RTS信号，簇首在请求传输周期内一直监听接收各簇成员的RTS信号。
步骤4：数据传输，请求传输周期结束后，簇首根据收到的RTS情况，为对应簇成员分配最大数据传输时间长度TDATAi、延时发送时间ΔDATA-i，并通过RTR包发送至各个簇成员，i号簇成员在收到RTR包后，延时ΔDATA-i时间后开始发送不超过TDATAi时间长度的数据包至簇首，TDATAi和ΔDATA-i计算公式如下：
TDATAi＝TD-3*τi-TRTR-TACK-TGDATA-TGACK(5)
TDATAm＝TDATAn＝(TD-3*τm-TRTR-TACK-TGACK-2*TGDATA)/2 (6)
ΔDATA-m＝0(7)
ΔDATA-n＝τm+TDATAm+TGDATA-τn(8)
TDATAm＝TDATAn＝TDATAk＝(TD-3*τm-TRTR-TACK-TGACK-3*TGDATA)/3 (9)
ΔDATA-m＝0(10)
ΔDATA-n＝τm+TDATAm+TGDATA-τn(11)
ΔDATA-k＝τm+2*(TDATAm+TGDATA)-τk(12)
收到其它情况路RTS信号后，TDATAi和ΔDATA-i的计算方法以此类推。
步骤5：ACK回复，簇首节点在收完所有数据包后，根据接收数据情况，生成ACK包，广播至各簇成员，各簇成员在接收到ACK包后，对应清除本地缓存数据，或等到下一工作周期重新发送RTS信号。
更进一步的，当有新节点需要加入网络时，新节点同样以TE为时间窗，在TE内随机延时一段时间后发送入网请求信号TONE，簇首收到该信号后，在数据传输周期内，首先利用PING-ECHO的方式完成对该节点的传播时延测定，然后簇首重新计算网络工作周期、请求传输周期长度、数据传输周期长度等工作参数，并通过广播SYS包至每个簇成员。
本发明的有益效果为：
(1)采用并发传输机制，能够有效提升信道的利用率与提升网络吞吐量。
(2)采用动态时隙调整机制，能够有效提升在非所有簇成员有数据传输需求下的网络吞吐量。
(3)采用动态时隙调整机制，可以易于实现为网络等级高的簇成员优先分配信道与数据优先传输。
附图说明
图1分簇网络示意图；
图2网络初始化流程图；
图3簇内4成员数据传输工作示意图；
图4簇内3成员数据传输工作示意图；
图5簇内2成员数据传输工作示意图；
图6簇内1成员数据传输工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图以由4个簇成员和1个簇首组成的分簇网络为例，讲述时隙动态调整并发传输方法的具体工作过程：
步骤1：网络初始化，首先布放所有簇成员，簇成员布放入水后，以TE＝10s为时间窗，在TE内随机延时一段时间后发送入网请求信号TONE；布放簇首，簇首入水后处于监听状态,当监听到某个簇成员的TONE信号后，立刻向该成员发送PING信号，同时记录对该成员发送了PING；簇成员收到PING信号后，判断目的地址，如果为自身，则回复ECHO信号，同时停止发送TONE信号，如果为其它成员，则停止发送TONE信号一个时间窗TE；簇首收到ECHO信号后，记录自身与该簇成员的传播时延，同时清除该成员的PING发送记录；当簇首在3*TE＝30s时间内再未收到任何的TONE信号，则簇首查询本地PING信号发送记录，如有，则启动对该簇成员的PING-ECHO传播时延测定，每个簇成员最多PING 3次，直到完成对所有簇成员的传播时延测定，如没有，则转移至步聚2。假设簇首完成对簇成员1～簇成员4的传播时延测定的结果分别为τ1＝2s,τ2＝2.25s,τ3＝2.4s,τ4＝2.5s。
步骤2：簇首建立工作时间表，假设数据传输请求信号的时间长度TRTS＝1s，RTS信号之间的保护时间长度TGRTS＝1s，簇成员至簇首的最大数据包时间长度TDATA-MAX＝35s，RTR包的时间长度TRTR＝3s，ACK包的时间长度TACK＝2s，数据包保护时间长度TGDATA＝1s，ACK包的保护时间长度TGACK＝1s，簇首间通信周期时间长度Tc-c＝60s，则请求传输周期长度TR、数据传输周期长度TD、网络工作周期TS和簇成员RTS发送时延ΔRTSi计算结果如下：
簇首将请求传输周期长度TR、数据传输周期长度TD、网络工作周期长度TS、RTS发送时延ΔRTS-i和周期起始时刻ts(假设当前时间为11:22:12，则ts设为11:24:00)编码处理后生成SYS包，然后广播发送至各个簇成员，各个簇成员在收到SYS包后，更新本地工作参数与状态。
步骤3：簇成员发送数据传输请求，i号簇成员如有数据需要发送至簇首，则以请求传输周期的开始时刻为起点，延时固定时间ΔRTS-i后发送RTS信号，簇首在请求传输周期内一直监听接收各簇成员的RTS信号。
步骤4：数据传输，请求传输周期结束后，簇首根据收到的RTS的情况为对应簇成员分配数据传输时间长度TDATAi、推迟发送时间ΔDATA-i，并通过RTR包发送到各个节点，不同RTS接收情况下的TDATAi和ΔDATA-i计算结果如下：
ΔDATA-3＝0 (21)
ΔDATA-4＝0(23)
ΔDATA-4＝0 (26)
ΔDATA-4＝0(30)
簇成员在收到RTR包后，按照对应的延时发送时间开始发送不超过分配时间长度的数据包至簇首节点。
步骤5：ACK回复，簇首节点在收完所有数据包后，根据接收数据情况，生成ACK包，广播至各簇成员，各簇成员在接收到ACK包后，对应清除本地缓存数据，或等到下一工作周期重新发送RTS信号。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
