專利名稱：一種水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲通信領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用時(shí)，不需要全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，不需要周期地廣播同步信號(hào)，采用集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用(TDMA)技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，水聲通信網(wǎng)絡(luò)逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。由于水聲信道傳播延時(shí)長(zhǎng)、可用帶寬窄、發(fā)送速率低、時(shí)變多徑復(fù)雜，許多在陸上無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的成熟協(xié)議無(wú)法直接應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)。基于握手機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議，往返握手需要耗費(fèi)大量時(shí)間，并且沖突的存在又會(huì)增加能量消耗和時(shí)延的增加。TDMA協(xié)議為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的工作時(shí)隙，可以有效避免沖突。但實(shí)現(xiàn)TDMA協(xié)議的關(guān)鍵是要有嚴(yán)格的幀同步時(shí)序，在水聲通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)鐘同步十分困難。專利號(hào)為CN102098093A的發(fā)明公開了一種水聲通信網(wǎng)的TDMA方法，該方法通過周期地廣播同步信號(hào)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中 各節(jié)點(diǎn)無(wú)沖突地收發(fā)數(shù)據(jù)的效果。本發(fā)明所提出的方法與此不同，在本發(fā)明中，通過在初始化時(shí)一次廣播時(shí)間表，各節(jié)點(diǎn)將時(shí)間表映射到本地時(shí)鐘上進(jìn)行工作，并在數(shù)據(jù)通信過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行時(shí)間表修正，無(wú)需重復(fù)廣播同步信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不需要嚴(yán)格的全局時(shí)鐘同步、不需要重復(fù)廣播同步信號(hào)，利用節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)水聲通信網(wǎng)絡(luò)TDMA協(xié)議的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明包括如下步驟:(I)主節(jié)點(diǎn)廣播初始化信號(hào)，記錄主節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻tsA，分節(jié)點(diǎn)回復(fù)初始化清除信號(hào)，主節(jié)點(diǎn)收到初始化清除信號(hào)后，記錄主節(jié)點(diǎn)接收時(shí)刻tri，獲取主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)
延 TpdA，TpdA-trA-tsA ;(2)根據(jù)時(shí)延信息，給各分節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tm，布置分節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙，主節(jié)點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的接收時(shí)隙；(3)主節(jié)點(diǎn)將布置完成的時(shí)間表廣播給分節(jié)點(diǎn)；(4)分節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間表時(shí),記錄當(dāng)前時(shí)刻tir為起始時(shí)刻，根據(jù)該分節(jié)點(diǎn)ID號(hào)從時(shí)刻表中獲取對(duì)應(yīng)信息，包括與主節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延Tpd1、網(wǎng)絡(luò)工作周期T、發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tmi，則分節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻tis為:tis=tir+tmi+kT, k=0, I, 2，…；(5)分節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為Tpdi的偵聽；(6)主節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻，判斷時(shí)鐘漂移是否在安全區(qū)內(nèi)，如果超過臨界值，則向分節(jié)點(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)，調(diào)整下次分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，如果不超過臨界值，則不發(fā)送信息；
(7)分節(jié)點(diǎn)在偵聽時(shí)長(zhǎng)內(nèi)監(jiān)聽主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通知信號(hào)，如果有通知信號(hào)，根據(jù)通知信號(hào)中的時(shí)間表調(diào)整信息，調(diào)整下次工作時(shí)間；如果沒有通知信號(hào)，等待下一個(gè)工作周期發(fā)送數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)在相鄰的數(shù)據(jù)接收時(shí)隙之間設(shè)置保護(hù)間隔，當(dāng)對(duì)應(yīng)時(shí)刻數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間出現(xiàn)的漂移超過臨界值時(shí)，給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)返回通知信號(hào)，通知下次數(shù)據(jù)發(fā)送需要調(diào)整的時(shí)間。本發(fā)明的有益效果在于:(I)不需要網(wǎng)絡(luò)全局時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，主、分節(jié)點(diǎn)以本地時(shí)鐘為參考進(jìn)行工作。(2)不需要周期地廣播同步信號(hào)，在數(shù)據(jù)通信過程中完成時(shí)間表修正。(3)分節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙交錯(cuò)布置，時(shí)間利用率高。


圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2獲取信號(hào)傳播時(shí)延示意圖；圖3分節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間表；

圖4分節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間軸映射示意圖；圖5主節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間軸映射示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述:本發(fā)明不需要嚴(yán)格的全局時(shí)鐘同步，不需要重復(fù)廣播同步信號(hào)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成時(shí)間表修正。網(wǎng)絡(luò)采用集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由I個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)分節(jié)點(diǎn)組成。在初始化階段，主節(jié)點(diǎn)通過應(yīng)答的方式獲取與各分節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延，根據(jù)傳播時(shí)延的大小交錯(cuò)布置各分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，在本地時(shí)間軸上建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收區(qū)間，并將時(shí)間表通過廣播的方式發(fā)送給所有分節(jié)點(diǎn)。時(shí)間表信息包含節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)ID、網(wǎng)絡(luò)工作周期T、傳播時(shí)延Tpd、發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tm，各分節(jié)點(diǎn)根據(jù)本節(jié)點(diǎn)ID從時(shí)間表獲取對(duì)應(yīng)信息，將本節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙映射到本地時(shí)間軸上進(jìn)行工作。在工作階段，分節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地時(shí)鐘，在到達(dá)發(fā)送時(shí)刻時(shí)自動(dòng)喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送完成后進(jìn)行一段時(shí)長(zhǎng)為Tpd的監(jiān)聽，如果有主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK信號(hào)(通知信號(hào))，則根據(jù)信號(hào)內(nèi)容調(diào)整下次數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，然后進(jìn)入休眠，如果沒有ACK信號(hào)，則直接進(jìn)入休眠。等下一個(gè)周期到來，各分節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地時(shí)鐘自動(dòng)喚醒并進(jìn)入工作狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)在相鄰的數(shù)據(jù)接收時(shí)隙之間設(shè)置一段保護(hù)間隔，允許對(duì)應(yīng)時(shí)刻數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間有一定的漂移，當(dāng)這個(gè)漂移超過臨界值時(shí)，給對(duì)應(yīng)分節(jié)點(diǎn)返回ACK信號(hào)，告知下次數(shù)據(jù)發(fā)送需要調(diào)整的時(shí)間。如果時(shí)間漂移沒有超過臨界值，則不發(fā)送任何信號(hào)。下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述:協(xié)議針對(duì)采用集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)工作流程包括3個(gè)階段:初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、時(shí)間表修正。初始化階段主要完成:傳播時(shí)延確定、工作時(shí)隙的布置、本地時(shí)鐘映射。網(wǎng)絡(luò)初始化完成后進(jìn)入工作狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地時(shí)鐘，周期地進(jìn)入工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成時(shí)間表修正。結(jié)合圖1。網(wǎng)絡(luò)采用集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由I個(gè)主節(jié)點(diǎn)(圖中實(shí)心圓O)和若干個(gè)分節(jié)點(diǎn)(圖中空心圓A、B、C等)組成。結(jié)合圖2。確定傳播時(shí)延采用應(yīng)答的方式，以主節(jié)點(diǎn)獲取與分節(jié)點(diǎn)A的傳播時(shí)延為例，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始化信號(hào)給節(jié)點(diǎn)A (Require Initialize Signal to A, RIS_A),并記錄當(dāng)前發(fā)送時(shí)刻tsA，分節(jié)點(diǎn)A收到RIS_A信號(hào)后，回復(fù)A節(jié)點(diǎn)初始化清除信號(hào)(ClearInitialize Signal to A, CIS_A),主節(jié)點(diǎn)收到CIS_A信號(hào)后記錄當(dāng)前時(shí)刻,并計(jì)算主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)A的傳播時(shí)延TpdA:TpdA=trA-tsACl)主節(jié)點(diǎn)采用與此類似的方法，通過輪詢的方式分別獲取與各分節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延。結(jié)合圖3。時(shí)間表信息包括節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)ID、網(wǎng)絡(luò)工作周期T、傳播時(shí)延Tpd、發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tm。表中的i表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的標(biāo)識(shí)ID，節(jié)點(diǎn)根據(jù)ID從表中獲取相應(yīng)的信息內(nèi)容，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的工作周期T。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳播時(shí)延進(jìn)行各分節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙的交錯(cuò)布置:給不同的分節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tm，各分節(jié)點(diǎn)根據(jù)tm設(shè)置自己的發(fā)送時(shí)刻。主節(jié)點(diǎn)布置完時(shí)間表后，將它廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有的分節(jié)點(diǎn)。結(jié)合圖4。圖4是各分節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間表信息進(jìn)行本地時(shí)鐘映射的示意圖，圖中i表示第i個(gè)分節(jié)點(diǎn)。下面以第i個(gè)分節(jié)點(diǎn)為例說明具體的映射過程。分節(jié)點(diǎn)i收到時(shí)間表后，記錄當(dāng)前時(shí)刻k為起始時(shí)刻，根據(jù)本節(jié)點(diǎn)ID號(hào)從時(shí)刻表中獲取對(duì)應(yīng)信息，包括與主節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延Tpd1、網(wǎng)絡(luò)工作周期T、發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tmi，則此分節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻tis為:tis=tir+tmi+k T, k=0, 1，2，...(2)本地時(shí)鐘映射完成之后，分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作流程:到達(dá)發(fā)送時(shí)刻即開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，進(jìn)行一段時(shí)長(zhǎng)為Tpdi的偵聽，如果有主節(jié)點(diǎn)返回的ACK信號(hào)，則根據(jù)ACK信號(hào)中的信息調(diào)整下一次發(fā)送時(shí)間，然后進(jìn)入休眠，反之，則直接進(jìn)入休眠。等到下一個(gè)工作周期，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)喚醒并進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送流程。結(jié)合圖5。主節(jié)點(diǎn)在初始化階段，根據(jù)各分節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間表將對(duì)應(yīng)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收時(shí)刻映射到本地時(shí)間軸上，相鄰的數(shù)據(jù)接收時(shí)間段之間留有保護(hù)間隔，當(dāng)數(shù)據(jù)接收時(shí)刻超出對(duì)應(yīng)的臨界范圍時(shí)，發(fā)送ACK信號(hào)通知對(duì)應(yīng)分節(jié)點(diǎn)在下個(gè)周期進(jìn)行工作時(shí)間調(diào)整，調(diào)整值包含在ACK信號(hào)中，反之，則不發(fā)送任何信息。以接收分節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)i)為例，假設(shè)按初始化時(shí)的時(shí)間表安排，數(shù)據(jù)i應(yīng)該到達(dá)的時(shí)刻為h，數(shù)據(jù)接收持續(xù)時(shí)間為Tdata，數(shù)據(jù)i在安全時(shí)間Ts內(nèi)接收完畢，則不會(huì)與相鄰的數(shù)據(jù)接收產(chǎn)生沖突，安全時(shí)間Ts為:tQ ~—Tg <Ts<t0+ Tdata +-Te{.,)則數(shù)據(jù)i的到達(dá)時(shí)刻\在+ + )內(nèi)時(shí)，不影響相鄰數(shù)據(jù)的接收，主節(jié)
點(diǎn)不返回任何信息，反之，則發(fā)送ACK通知分節(jié)點(diǎn)i在下個(gè)工作周期進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，調(diào)整值A(chǔ) tm 為:At111=Vt0 (4)
如果Λ tm>0，則接收時(shí)刻延后，分節(jié)點(diǎn)i下個(gè)周期工作時(shí)間需要提前Atm ；
如果Λ tm〈0，·則接收時(shí)刻超前，分節(jié)點(diǎn)i下個(gè)周期工作時(shí)間需要延后Δ tm。
權(quán)利要求
1.一種水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)主節(jié)點(diǎn)廣播初始化信號(hào)，記錄主節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻tsA，分節(jié)點(diǎn)回復(fù)初始化清除信號(hào)，主節(jié)點(diǎn)收到初始化清除信號(hào)后，記錄主節(jié)點(diǎn)接收時(shí)刻tM，獲取主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延TpdA, TpdA_trA tsA ; (2)根據(jù)時(shí)延信息，給各分節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tm，布置分節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙，主節(jié)點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的接收時(shí)隙； (3)主節(jié)點(diǎn)將布置完成的時(shí)間表廣播給分節(jié)點(diǎn)； (4)分節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間表時(shí)，記錄當(dāng)前時(shí)刻為起始時(shí)刻，根據(jù)該分節(jié)點(diǎn)ID號(hào)從時(shí)刻表中獲取對(duì)應(yīng)信息，包括與主節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延Tpd1、網(wǎng)絡(luò)工作周期T、發(fā)送時(shí)刻調(diào)整值tmi，則分節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)刻tis為: tis=tir+tmi+kT, k=0, I, 2,...； (5)分節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為Tpdi的偵聽； (6)主節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻，判斷時(shí)鐘漂移是否在安全區(qū)內(nèi)，如果超過臨界值，則向分節(jié)點(diǎn)發(fā)送通知信號(hào)，調(diào)整下次分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，如果不超過臨界值，則不發(fā)送信息； (7)分節(jié)點(diǎn)在偵聽時(shí)長(zhǎng)內(nèi)監(jiān)聽主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通知信號(hào)，如果有通知信號(hào)，根據(jù)通知信號(hào)中的時(shí)間表調(diào)整信息，調(diào)整下次工作時(shí)間；如果沒有通知信號(hào)，等待下一個(gè)工作周期發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一種水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用方法，其特征在于:所述的主節(jié)點(diǎn)在相鄰的數(shù)據(jù)接收時(shí)隙之間設(shè)置保護(hù)間隔，當(dāng)對(duì)應(yīng)時(shí)刻數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間出現(xiàn)的漂移超過臨界值時(shí)，給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)返回通知信號(hào)，通知下次數(shù)據(jù)發(fā)送需要調(diào)整的時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及水聲通信領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用時(shí)，不需要全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，不需要周期地廣播同步信號(hào)，采用集中式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)分復(fù)用(TDMA)技術(shù)。本發(fā)明包括主節(jié)點(diǎn)廣播初始化信號(hào)；布置分節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙,主節(jié)點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的接收時(shí)隙；主節(jié)點(diǎn)將布置完成的時(shí)間表廣播給分節(jié)點(diǎn)；分節(jié)點(diǎn)根據(jù)ID號(hào)從時(shí)刻表中獲取對(duì)應(yīng)信息；進(jìn)行偵聽；判斷時(shí)鐘漂移是否在安全區(qū)內(nèi)；分節(jié)點(diǎn)在偵聽時(shí)長(zhǎng)內(nèi)監(jiān)聽主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通知信號(hào)。本發(fā)明不需要網(wǎng)絡(luò)全局時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，主、分節(jié)點(diǎn)以本地時(shí)鐘為參考進(jìn)行工作。不需要周期地廣播同步信號(hào)，在數(shù)據(jù)通信過程中完成時(shí)間表修正。分節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙交錯(cuò)布置，時(shí)間利用率高。
文檔編號(hào)H04J3/00GK103248435SQ201310131688
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者喬鋼, 章佳榮, 馬雪飛, 周鋒, 孫宗鑫, 劉淞佐, 張禹, 尹艷玲, 聶東虎, 楊健敏 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)