水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法

摘要

本发明涉及一种水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法，包括：发送节点i在发送第i个节点的RTS报文之前已知自己和接收节点间的初始距离及传输时延；结合接收时间和时延，并考虑节点位置的不确定性，从而确定发送节点i开始发送RTS报文的时间；接收节点通过RTS报文的发送时间tis_RTS和到达时间tir_RTS′确定发送节点i和接收节点间准确时延；并安排接收DATA包的时间，利用真实时延和DATA报文的到达时间，计算第i个发送节点开始发送DATA报文的时间。本发明可以有效避免节点位置变化给报文发送带来的不利影响，同时高效利用时间资源。

权利要求

1.一种水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法，包括下面几个方面：

(1)发送节点i在发送第i个节点的RTS报文之前已知自己和接收节点间的初始距离Di及传输时延 v为声波在水中的传播速度；设时延的最大变化范围为Δτ，预测接收节点将在tir_RTS＝t1r_RTS+(i-1)×(TRTS+2Δτ)时刻开始接收第i个节点的RTS报文，其中TRTS为RTS报文持续的时间，结合接收时间和时延，并考虑节点位置的不确定性，从而确定发送节点i开始发送RTS报文的时间tis_RTS＝tir_RTS-τi+Δτ；

(2)接收节点按照tir_RTS＝t1r_RTS+(i-1)×(TRTS+2Δτ)开始接收第i个RTS报文，设第i个节点的RTS报文的真实到达时间分为tir′，通过RTS报文的发送时间tis_RTS和到达时间tir_RTS′确定发送节点i和接收节点间准确时延τi′＝tir_RTS′-tis_RTS；

(3)接收节点根据准确的时延τi′和DATA包的长度，安排接收DATA包的时间，设接收节点准备在tir_DATA开始接收第i发送节点的DATA报文，第i个节点的DATA报文的到达时间为利用真实时延和DATA报文的到达时间，计算第i个发送节点开始发送DATA报文的时间tis_DATA＝tir_DATA-τi′。

说明书

水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法。

背景技术

[0002] 水声传感器网络在海洋环境监测，灾难预警，军事侦察等方面均得到了广泛的应用。但传感器网络中的节点工作在复杂的水声环境中。首先水声信道有着模型复杂，延时长，传播速度小等固有缺陷，这些特点导致网络中的控制报文持续时间较长；其次真实海洋环境中的节点会受到海浪运动的影响，其位置不能完全确定。这就使得节点间的距离和发送时延会随海浪运动变化，具有较大的不确定性。而在无线通信中，发送接收双方准确的位置(时延)信息是保证信息成功传输的关键。正是由于以上原因，在水下传感器网络中，控制信息存在着较大的冲突碰撞的可能，发送成功率较低。

[0003] 目前现有的水声通信协议很少涉及到节点位置的变化，协议在真实环境中的使用效果不甚理想。

发明内容

[0004] 本发明的目的是考虑了节点位置不确定性的影响，提出一种水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法。本发明的技术方案如下：

[0005] 一种水下传感器网络中提高控制信息发送成功率的方法，包括下面几个方面：

[0006] (1)发送节点i在发送第i个节点的RTS报文之前已知自己和接收节点间的初始距离Di及传输时延 v为声波在水中的传播速度；

[0007] 设时延的最大变化范围为Δτ，预测接收节点将在tir_RTS＝t1r_RTS+(i-1)×(TRTS+2Δτ)时刻开始接收第i个节点的RTS报文，其中TRTS为RTS报文持续的时间，结合接收时间和时延，并考虑节点位置的不确定性，从而确定发送节点i开始发送RTS报文的时间,tis_RTS＝tir_RTS-τi+Δτ；

[0008] (2)接收节点按照tir_RTS＝t1r_RTS+(i-1)×(TRTS+2Δτ)开始接收第i个RTS报文，设第i个节点的RTS报文的真实到达时间分为tir′。通过RTS报文的发送时间tis_RTS和到达时间tir_RTS′可确定发送节点i和接收节点间准确时延τi′＝tir_RTS′-tis_RTS；

[0009] (3)接收节点根据准确的时延τi′和DATA包的长度，安排接收DATA包的时间，设接收节点准备 在tir-DATA开始接收第i发送节点的DATA报文，第i个节点的DATA报文的到达时间为  利用真实时延和DATA报文的到达时间，可以计算第i个发送节点开始发送DATA报文的时间tis_DATA＝tir_DATA-τi′。

[0010] 本发明的有益效果为：在协议设计中，充分考虑海浪运动对节点位置的影响，提出一种提高控制报文发送成功率的方法。该方法关注了节点位置的不确定性，基于运动预测设计了具体的发送时间安排以解决上述问题。可以有效避免节点位置变化给报文发送带来的不利影响，同时高效利用时间资源。

附图说明

[0011] 图1.节点运动对报文接收的影响。

[0012] 图2.考虑节点位置变化后的方法设计。

具体实施方式

[0013] 本发明在进行收发协议设计之前，建立如下的水声通信模型：

[0014] (1)多个传感器节点在不同的位置进行数据采集，他们需要定时将收集到的数据发送到中心节点处，因此他们为发送节点。各个发送节点均漂浮在水中，因此会受到波浪运动的影响。节点会随着波浪运动而发生位置的周期性改变，但位置变化的范围有限。各个发送节点已知其他发送节点的初始位置。

[0015] (2)传感器网络中存在着中心节点。中心节点定期收集发送节点传输的数据，并进行处理。中心节点为接收节点。在真实的水下网络中，接收节点常常和水面上方的船只相连，因此接收节点的位置不会随波浪运动。

[0016] (3)所有发送节点和接收节点须有相同的时钟，他们保持全网同步。

[0017] (4)水下通信网络中存在着公共的控制信道。

[0018] 本发明设计的方法需要发送四类报文，分别是RTS,CTS,DATA和ACK。其中RTS，CTS和ACK均属于控制报文。CTS和ACK报文为广播发送，不存在冲突的可能，因此本发明着重关注RTS报文的冲突避免问题。现对本发明涉及到的四类报文的具体内容进行说明。

[0019] 1.RTS报文

[0020] 在本方法所设计的场景中，所有发送节点同时准备发送数据。但各个节点需要根据自己的初始位置等待一定的时间，再分别发送RTS报文请求接收节点开始接收。RTS报文需要包括发送节点将要发 送DATA报文长度的信息，设各个DATA报文的时间长度为TDATA_i。

[0021] 等待时间的设定可以保证RTS报文无冲突地达到接收节点。本方法要求RTS报文的到达顺序和发送节点与接收节点的距离大小顺序一致，即距离较近的节点最先发送RTS报文，RTS报文最先到达接收节点。设RTS报文持续的时间是TRTS。

[0022] (1)各个发送节点发送RTS报文时间的确定：

[0023] 发送节点已知各个发送节点到接收节点间的初始距离Di和传输时延为声波在水中的传播速度)。设接收节点在t1r_RTS时刻开始接收第一个RTS包，则距离最近的发送节点需在t1s_RTS时刻开始发送。考虑到发送节点会随着波浪运动，最大运动范围为ΔD，真实的时延τ1会有  的变化，即时延可能为τ1+Δτ，也可能为τ1-Δτ。考虑到所有可能的情况，因此第一个发送节点开始发送的时刻为t1s_RTR＝t1r_RTR-τ1+Δτ。

[0024] 设接收节点开始接收各个RTS包的时间为tir-RTS，为了避免时延变化对到达时间的影响，需要留出保护时间。因此tir_RTS＝t1r_RTS+(i-1)×(TRTS+2Δτ)。

[0025] 结合接收时间和时延，可以确定发送节点开始发送各自RTS报文的时间tis_RTS,tis_RTS＝tir_RTS-τi+Δτ。

[0026] 通过以上对发送时间的合理安排，可以保证即使发送节点的位置随波浪具有不确定性，也能使各个节点的报文被接收及节点无冲突地接收，从而提高了发送的成功概率。

[0027] (2)各个发送节点和接收节点之间真实时延的确定：

[0028] 设各个RTS报文的真实到达时间分别为tir′，则可以通过tis_RTS和tir_RTS′确定各个发送节点和接受节点间的准确时延。第i个发送节点和接收节点间的准确时延为τi′，则τi′＝tir_RTS′-tis_RTS。在完成一次数据传输的时间内，可以认为发送节点的位置保持不变，因此真实的时延信息可以用于DATA报文的安排。

[0029] 2.CTS报文

[0030] 接收节点在收到全部的RTS报文后，根据准确的时延τi′和DATA包的长度，安排接收DATA包的时间。设接收节点准备在tir-DATA开始接收第i个DATA报文，则各个发送节点开始发送DATA报文的时间为tis_DATA＝tir_DATA-
τi′。在CTS报文中，接收节点应发送信各个发送节点开始发送DATA包的时间tis_DATA。

[0031] 3.DATA报文

[0032] 各个发送节点按照CTS报文中的发送时间各自开始发送数据。

[0033] 4.ACK报文

[0034] 成功接收到所有的DATA报文后，接收节点发送ACK，确认接收完成。