本发明公开了一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。本发明的优势在于提出一种适用于多跳水声通信网络，基于时分多址的冲突避免媒介访问控制方法，该方法通过冲突避免减少网络中时延的浪费，提高网络的性能。首先，该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。其次，该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。最后，该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。
1.一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)网络分组，静态网络为一个包含N个节点的两跳网络，静态节点可以分为三层，C个浮标节点表示为集合 M个中继节点表示为集合 以及S个传感器节点表示为集合 此外，节点数满足N＝C+M+S，层与层之间的节点以分簇的形式组织；
(2)确定各个节点的传输时隙，传输周期被划分为多个时隙，一个时隙长度包括包的传输时延和最大传播时延，在一个时隙内，节点在时隙的开始时刻发送数据包，在时隙结束之前，接收节点处能够接收到数据包，每个簇内节点按照顺序分配一个时隙向簇首传输数据包，另外考虑到簇内和簇间干扰，对节点分配的时隙进行调整，避免节点之间的传输冲突；
(3)确定需要进行冲突避免的节点，针对节点之间的传输时延和传播时延，建立簇内和簇间干扰冲突条件，确定需要进行冲突避免的节点，之后为需要冲突避免的节点动态调整分配的时隙，避免数据包间的传输冲突；
节点之间根据位置深度和距离划分为三层，第一层和第二层节点之间的距离稀疏，两两之间大于通信距离，其余节点被分为第三层节点，之后，第二层节点根据到第一层节点之间的距离最近的原则选择节点的簇首，第三层节点根据到第二层节点之间的距离最近的原则选择节点的簇首，向同一个节点传输数据的节点为一簇，传感器节点由于分布比较集中，存在簇内和簇间干扰，而中继节点分布分散则不存在簇内和簇间干扰；多个传感器节点从海洋中采集数据通过水声通信链路向一个中继节点进行传输，之后再由中继节点通过水声通信链路中继给浮标节点，最后浮标节点通过电磁波链路将数据传输到数据中心；
所述步骤(2)中确定各个节点的传输时隙的具体构建方法如下：
静态节点之间都是时间同步的，传输周期被划分为时隙，时隙的长度由通信范围d0和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为其中，tdata是数据传输时间，可表示为tdata＝Ldata/ω，Ldata是数据包长度，ω是水声通信机的传输数据率，vs是声波在水下传播的速度，因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点，假设一个中继节点mj为Sj个传感器节点 中继数据包，其中 节点数目满足这里，Sj′为向中继节点mj′发送数据包的传感器节点的个数，指代传感器节点，表示传感器节点 的集合，则传感器节点 传输数据包的时刻可以计算为其中， 表示节点 的第 次传输，表示节点 已经传输了 个数据包；k是与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配；
类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包；假设浮标节点ci从Mi个中继节点 收到数据包，其中 节点数目满足之后，中继节点 发送数据包的时刻可以表示为
这里，是节点 的通信轮数，即中继节点 已经传输了 个数据包；j是中继节点的发送顺序且与节点的ID有关；
对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信，因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心，由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略；
所述步骤(3)中确定需要进行冲突避免的节点具体构建方法如下：
主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的簇内和簇间干扰，首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序，需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度，假设一个中继节点mj为Sj个传感器节点 中继数据包，其中假设中继节点mj′为Sj′个传感器节点 中继数据包，其中则该两个传感器节点 和 需要进行冲突避免的条件是
其中， 和 为节点之间的距离；vs为声速；tdata为数据包的传输时延；
当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题，节点在按照顺序传输的过程中，假设节点 的传输顺序为k，节点 的传输顺序为k′，则节点将会在A＝k×k′时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。
一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于水声通信领域，涉及一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。
背景技术
[0002] 由于水声通信网络的长传播时延特性，节点之间的传输需要考虑到长传播时延带来的空时不确定性，需要对节点传输的时隙进行分配，避免节点之间的冲突。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法。
[0004] 本发明的优势在于提出一种适用于多跳水声通信网络，基于时分多址的冲突避免媒介访问控制方法，该方法通过冲突避免减少网络中时延的浪费，提高网络的性能。首先，该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。其次，该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。最后，该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。本发明方法具体包括以下步骤：
[0005] (1) 网络分组，静态网络为一个包含 个节点的两跳网络。静态节点可以分为三层， 个浮标节点表示为集合 个中继节点表示为集合，以及 个传感器节点表示为集合 。此外，节点数满足
。层与层之间的节点以分簇的形式组织。
[0006] (2) 确定各个节点的传输时隙。静态节点之间都是时间同步的。传输周期被划分为时隙，时隙的长度由通信范围 和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为
[0007] ，
[0008] 其中， 是数据传输时间，可表示为 是数据包长度， 是水声通信机的传输数据率。因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为 。
[0009] 对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点。假设一个中继节点 个传感器节点 中继数据包，其中 ，节点数目满足 。这里， 为向中继节点 发送数据包的传感器节点的个数， 指代传感器节点， 表示传感器节点 的集合。则传感器节点 传输数据包的时刻可以计算为
[0010] ，
[0011] 其中， 表示节点 的第 次传输，表示节点 已经传输了 个数据包；是与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配。
[0012] 类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包。假设浮标节点 个中继节点 收到数据包，其中 ，节点数目满足 。之后，中继节点 发送数据包的时刻可以表示为
[0013] ，
[0014] 这里， 是节点 的通信轮数，即中继节点 已经传输了 个数据包；是中继节点的发送顺序且与节点的ID有关。
[0015] 对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信。因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心。由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略。
[0016] (3)确定需要进行冲突避免的节点。主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的簇内和簇间干扰。首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序。需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度。假设一个中继节点个传感器节点 中继数据包，其中 ，假设中继节
点 个传感器节点 中继数据包，其中 。则该两
个传感器节点 需要进行冲突避免的条件是
[0017] ，
[0018] 其中， 为节点之间的距离； 为声速； 为数据包的传输时延。
[0019] 当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题。节点在按照顺序传输的过程中，假设节点 的传输顺序为 ，节点 的传输顺序为 ，则节点将会在时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 1.该网络为一个两跳的水声通信网络，时分多址方法与单跳水声通信网络有不同之处。
[0022] 2.该方法将网络中的节点进行分组管理，考虑组与组之间、相邻节点之间数据传输的影响，来分配节点传输的时隙。
[0023] 3.该方法考虑到节点之间的空时不确定性，实现节点的冲突避免。
附图说明
[0024] 图1是网络拓扑结构图。
[0025] 图2是一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法时序流程图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。
[0027] 本发明使用的网络拓扑图如图1所示，该静态网络为一个包含 个节点的两跳网络。静态节点可以分为三层， 个浮标节点表示为集合 个中继节点表示为集合 个传感器节点表示为集合 。
此外，节点数满足 。
[0028] 图2所示的是一种多跳水声通信网络冲突避免时隙分配方法时序流程图。主要内容为：
[0029] (1) 网络分组。该静态网络为一个包含 个节点的两跳网络。静态节点可以分为三层， 个浮标节点表示为集合 个中继节点表示为集合个传感器节点表示为集合 。此外，节点数满
足 。层与层之间的节点以分簇的形式组织。
[0030] (2) 确定各个节点的传输时隙。静态节点之间都是时间同步的。传输周期被划分为时隙，时隙的长度由通信范围 和数据包传输时延决定，保证第一个发送的数据包能够被完全接收且最后一个发送的数据包完成，可以表示为
[0031] ，
[0032] 其中， 是数据传输时间，可表示为 是数据包长度， 是水声通信机的传输数据率。因此，一个时隙可以传输的数据包的个数为 。
[0033] 对于传感器节点，它们在时隙开始时将数据包按顺序发送到中继节点。假设一个中继节点 个传感器节点 中继数据包，其中 ，节点数目满足 。这里， 为向中继节点 发送数据包的传感器节点的个数， 指代传感器节点， 表示传感器节点 的集合。则传感器节点 传输数据包的时刻可以计算为[0034] ，
[0035] 其中， 表示节点 的第 次传输，表示节点 已经传输了 个数据包；是与节点号ID相关的传感器节点的发送顺序，该ID在部署传感器节点之前已分配。
[0036] 类似地，如果中继节点已接收到数据包，它们将向浮标节点发送数据包。假设浮标节点 个中继节点 收到数据包，其中 ，节点数目满足 。之后，中继节点 发送数据包的时刻可以表示为
[0037] ，
[0038] 这里， 的通信轮数，即中继节点 已经传输了 个数据包；是中继节点的发送顺序且与节点的ID有关。
[0039] 对于浮标节点，它们通过电磁波将数据传输到位于陆地或船只上的数据中心，这不会影响水声通信。因此，当浮标节点接收到数据包时，它们会尽快将数据包转发到数据中心。由于电磁波的传播速度较快，传播时延可以忽略。
[0040] (3)确定需要进行冲突避免的节点。主要针对传感器节点，需要考虑到节点之间的簇内和簇间干扰。首先根据冲突避免条件计算出会产生干扰的节点，之后使用最小公倍数法计算出该干扰节点会在同一个时隙的时隙，动态调整该时隙所在轮数的节点发送顺序。需要进行冲突避免的条件为节点之间的传播时延差大于数据包的长度。假设一个中继节点个传感器节点 中继数据包，其中 ，假设中继节
点 个传感器节点 中继数据包，其中 。则该两个
传感器节点 需要进行冲突避免的条件是
[0041] ，
[0042] 其中， 为节点之间的距离； 为数据包的传输时延。
[0043] 当节点之间满足该条件时，则需要考虑干扰时隙的冲突问题。节点在按照顺序传输的过程中，假设节点 的传输顺序为 ，节点 的传输顺序为 ，则节点将会在时隙产生冲突，需要对该轮的传输进行动态调整，使两个节点不同时在该时隙传输。
