一种基于网络结构自适应的深海无人平台动态网络高效TDMA方法
技术领域
本发明涉及水声通信网络接入领域，更确切地说，是一种基于网络结构自适应的深海无人平台动态网络高效TDMA方法。
背景技术
海洋军事斗争日益复杂化，使得获取水下信息优势的能力建设成为海军发展重点之一。水下无人平台具有使用灵活、隐蔽性强、适应复杂海况等特点，已成为获取水下信息的重要技术手段。深海多无人平台组网协作探测可以扩大单无人平台的工作区域、提高工作效率，实现单无人平台或其它传统平台无法或难以完成的复杂任务，高效的网络传输效率是实现水下多无人平台组网探测的基础与前提。
时分多址(TDMA)协议是一种陆上无线网络常用的MAC协议，其为一种典型的多址接入方式，一般应用在含有主节点的单跳通信场合，网络中的子节点通过使用时隙分时共享信道资源，该方式解决了网络节点间的数据碰撞问题，提高了网络效率。由于无线电传播速度较快，陆上无线网络应用TDMA协议时，一般忽略了传播延时，而水声通信网络中，声速较慢，传播延时显然是一个不可忽略的因素，所以直接用于TDMA协议到水声通信网络中，会导致很低的网络效率。
专利号为CN102098093A的发明公开了一种水声通信网络的TDMA方法，该方法通过周期性广播携带传播延时的同步帧，使整个网络达到无冲突收发数据的效果。该专利实施过程中，设定保护间隔为网络状态延时起伏最大值，但对于由水下多无人平台组成的深海无人平台动态网络，其在执行任务时，网络结构实时变化，且随着时间增加延时可能逐渐变大，故此状态下，此发明需设置很大的保护间隔。此时会与传统TDMA协议面临相同的问题，即保护时隙过大，严重降低网络传输效率。且随着网络拓扑结构的持续变化，接收数据必将溢出保护间隔，相互碰撞，原有TDMA方法将不再适用。所以需要一套有效的控制方法来提高TDMA在深海无人平台动态网络中的信道利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于网络结构自适应的深海无人平台动态网络高效TDMA方法，是一种适用于深海无人平台动态水声网络，高效、灵活、可靠的TDMA方法(为便于表述，以下称DU-TDMA方法)，它主要应用于主节点与子节点单跳连接的集中式拓扑结构，以子节点向主节点汇集信息的场合。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于网络结构自适应的深海无人平台动态网络高效TDMA方法，包括如下步骤：
(1)在组网准备阶段，主节点与各子节点间进行应答握手，测得它与各子节点的传播延时值τk,k＝1…N，N为子节点数量，为了提高信道利用率，主节点通过延时算法，计算得到子节点发射延时值tk和主节点的接收时隙次序，并根据单个工作周期长度设置接收数据保护间隙；
(2)在数据传输阶段，主节点在第一个周期的起始，发射同步帧，并将子节点发射延时值tk携带在同步帧中，子节点在收到同步帧后，延时tk时间后发射数据帧，数据帧将无碰撞地依次到达主节点，当前同步帧中还含有对前一周期数据帧的确认信息，，因此同步帧兼有确认帧的功能；
(3)对于第i个工作周期，主节点通过监测各子节点数据到达时间来分析，当前网络各节点的传播时延τi_k，并计算出下一周期子节点发射延时值ti_k，在下一个周期发射同步帧时，将当前网络状态的传播时延ti_k携带在同步帧中，子节点在收到该同步帧后，延时ti_k后发射数据帧，主节点将无碰撞地接收到各节点数据。
更进一步的，在动态网络环境下，主节点通过延时算法，计算得到子节点发射延时值tk和主节点的接收时隙次序，并根据单个工作周期长度设置较小的保护间隙，从而减少空闲时间，提高信道利用率。
本发明的有益效果为：
(1)可缩短的动态网络环境下TDMA协议的保护间隙，从而减少空闲时间，提高信道利用率。
(2)通过反馈修正各节点传播延时值，保证动态网络系统各节点数据帧无碰撞地依次到达主节点，提升水声TDMA协议的宽容性，将其应用范围扩展到深海无人平台动态网络中。
附图说明
图1是由水下多移动平台组成的深海无人平台动态网络示意图。
图2是DU-TDMA时隙图。
图3是主节点实际接收各子节点数据的到达时间示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
如图1所示，DU-TDMA的工作过程：4个水下移动平台组网探测，其中三个为子节点，一个为主节点。当发现运动目标时，水下移动平台系统需对目标跟踪处理，并实时将各子节点数据传给主节点，用于进一步融合处理。
下面结合图2具体描述DU-TDMA的工作过程，其工作过程分为组网准备阶段和数据传输阶段。在组网准备阶段，主平台通过与各子平台之间的应答握手，测得它与各子平台之间的传播延时τk，并保存。
在数据传输阶段，主节点在第一个周期的起始，发射同步帧，并将子节点发射延时值t1_k携带在同步帧中，子节点在收到同步帧后，延时t1_k时间后发射数据帧，数据帧将无碰撞地依次到达主节点，当前同步帧中还含有对前一周期数据帧的确认信息，因此同步帧兼有确认帧的功能。
下面给出发射延时值t1_k的计算方法，假设子节点数据帧到达主节点的时刻为Uk，如图2所示，以主节点发射同步帧的时刻为时间轴0点，图2中N＝3,则有：
其中，Uk是主节点为子节点分配的接收时隙的起始点，Tslot是时隙长度，Tdata是数据帧长度，Tg是保护间隔，传播延时时间会在一定的范围内起伏，为了避免频繁的测量延时时间，一般的做法是在前后时隙之间留有保护间隔，保护间隔的长度取决于延时起伏的大小，为了确保无碰撞的接收。现有水声TDMA协议中令Tg取网络传输过程中延时起伏的最大值，对于动态网络，这样会增加信道空闲时间，减少信道利用率。本发明中令Tg取网络传输过程中单个周期内延时起伏的最大值。
令集合U＝{U1,U2,…UN}，并令Uk＝tk+2τk+Tsyn，Tsyn是同步帧长度，通过循环搜索得到tk，使Uk是集合U中最小的元素，通过循环搜索得到发射延时值t1_k，使Uk是集合U中最小的元素，算法的具体步骤如下：
步骤1：初始化，k＝0，N′＝N；
步骤2：k＝k+1，如果k>N，算法结束，否则，j＝0，并执行步骤3；
步骤3：j＝j+1，
如果j≤N′，并且tk满足如下条件：
则有：t1_k＝Uj-2τk-Tsyn；
如果j>N′，则j＝0，并执行步骤4；
步骤4：将Uj从集合U中删去，N′＝N′-1，执行步骤2。
第一个周期结束后，对于第i个工作周期，主节点通过监测各子节点数据到达时间来分析，当前网络各节点的传播时延τi_k，并计算出下一周期子节点发射延时值ti_k。在下一个周期发射同步帧时，将当前网络状态的传播时延ti_k携带在同步帧中，子节点在收到该同步帧后，延时ti_k后发射数据帧，主节点将无碰撞的接收到各节点数据。
下面结合图3给出发射延时值ti_k的计算方法；
由于网络拓扑结构可能受海流等因素影响发生变化，导致第i个周期各节点数据实际到达时间Ui_k，如图3所示。则该周期各子节点的实时传播时延τi_k为
τi_k＝τk+(Ui_k-Uk)
ti_k的计算过程与前面介绍的tk相同，只是在步骤3中ti_k的计算公式变为
ti_k＝Uj-2τi_k-Tsyn
在下一个周期发射同步帧时，将当前网络状态的传播时延ti_k携带在同步帧中，子节点在收到该同步帧后，延时ti_k后发射数据帧，如图2所示，在第i+1个周期，调整发射时间后，子节点k数据帧到达主节点的时刻为Uk，没有偏差，从而避免误差累积产生的碰撞。
对于动态网络拓扑结构，由于主节点与各子节点间的传播时延被实时修正，从而保证DU-TDMA协议可适用于网络拓扑结构变化的环境。传播时延实时反馈修正，还能消除信道时变性对网络传输的影响。由于海洋声信道的时变性的影响，发明CN102098093A为实现无碰撞接收，设置了较大的保护间隔。而DU-TDMA协议实时修正传播时延，此修正后的时延，同时包含受网络结构变化和信道变化的影响。所以DU-TDMA协议中通过调整子节点发射时间来适应信道的时变特性，故保护时隙长度不用考虑长时间信道时变性的影响，仅需考虑在一个周期内信道的变化。一个周期的时间很短，受信道时变特性影响很小，相对于现有水声TDMA协议，可将保护间隙设置为很小的值，从而减少空闲时间，提高信道利用率。
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。
