專利名稱：一種水聲通信網(wǎng)絡時分復用方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及水聲通信領域，特別涉及一種實現(xiàn)時分復用時，不需要全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點時鐘的嚴格同步，不需要周期地廣播同步信號，采用集中式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡時分復用(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)絡逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。由于水聲信道傳播延時長、可用帶寬窄、發(fā)送速率低、時變多徑復雜，許多在陸上無線通信網(wǎng)絡中的成熟協(xié)議無法直接應用于水聲通信網(wǎng)絡?；谖帐謾C制的競爭類協(xié)議，往返握手需要耗費大量時間，并且沖突的存在又會增加能量消耗和時延的增加。TDMA協(xié)議為每個節(jié)點分配固定的工作時隙，可以有效避免沖突。但實現(xiàn)TDMA協(xié)議的關鍵是要有嚴格的幀同步時序，在水聲通信網(wǎng)絡中實現(xiàn)嚴格的時鐘同步十分困難。專利號為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達到網(wǎng)絡中 各節(jié)點無沖突地收發(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，通過在初始化時一次廣播時間表，各節(jié)點將時間表映射到本地時鐘上進行工作，并在數(shù)據(jù)通信過程中實時進行時間表修正，無需重復廣播同步信號。

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


圖1網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；圖2獲取信號傳播時延示意圖；圖3分節(jié)點工作時間表；

圖4分節(jié)點本地時間軸映射示意圖；圖5主節(jié)點本地時間軸映射示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述:本發(fā)明不需要嚴格的全局時鐘同步，不需要重復廣播同步信號，在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成時間表修正。網(wǎng)絡采用集中式拓撲結(jié)構(gòu)，由I個主節(jié)點和若干個分節(jié)點組成。在初始化階段，主節(jié)點通過應答的方式獲取與各分節(jié)點的傳播時延，根據(jù)傳播時延的大小交錯布置各分節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時間，在本地時間軸上建立對應的數(shù)據(jù)接收區(qū)間，并將時間表通過廣播的方式發(fā)送給所有分節(jié)點。時間表信息包含節(jié)點標識ID、網(wǎng)絡工作周期T、傳播時延Tpd、發(fā)送時刻調(diào)整值tm，各分節(jié)點根據(jù)本節(jié)點ID從時間表獲取對應信息，將本節(jié)點的工作時隙映射到本地時間軸上進行工作。在工作階段，分節(jié)點根據(jù)本地時鐘，在到達發(fā)送時刻時自動喚醒進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送完成后進行一段時長為Tpd的監(jiān)聽，如果有主節(jié)點發(fā)送的ACK信號(通知信號)，則根據(jù)信號內(nèi)容調(diào)整下次數(shù)據(jù)發(fā)送時間，然后進入休眠，如果沒有ACK信號，則直接進入休眠。等下一個周期到來，各分節(jié)點根據(jù)本地時鐘自動喚醒并進入工作狀態(tài)。主節(jié)點在相鄰的數(shù)據(jù)接收時隙之間設置一段保護間隔，允許對應時刻數(shù)據(jù)的到達時間有一定的漂移，當這個漂移超過臨界值時，給對應分節(jié)點返回ACK信號，告知下次數(shù)據(jù)發(fā)送需要調(diào)整的時間。如果時間漂移沒有超過臨界值，則不發(fā)送任何信號。下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述:協(xié)議針對采用集中式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡，整個工作流程包括3個階段:初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、時間表修正。初始化階段主要完成:傳播時延確定、工作時隙的布置、本地時鐘映射。網(wǎng)絡初始化完成后進入工作狀態(tài)，各節(jié)點根據(jù)本地時鐘，周期地進入工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成時間表修正。結(jié)合圖1。網(wǎng)絡采用集中式拓撲結(jié)構(gòu)，由I個主節(jié)點(圖中實心圓O)和若干個分節(jié)點(圖中空心圓A、B、C等)組成。結(jié)合圖2。確定傳播時延采用應答的方式，以主節(jié)點獲取與分節(jié)點A的傳播時延為例，主節(jié)點發(fā)送初始化信號給節(jié)點A (Require Initialize Signal to A, RIS_A),并記錄當前發(fā)送時刻tsA，分節(jié)點A收到RIS_A信號后，回復A節(jié)點初始化清除信號(ClearInitialize Signal to A, CIS_A),主節(jié)點收到CIS_A信號后記錄當前時刻,并計算主節(jié)點與分節(jié)點A的傳播時延TpdA:TpdA=trA-tsACl)主節(jié)點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)點的傳播時延。結(jié)合圖3。時間表信息包括節(jié)點標識ID、網(wǎng)絡工作周期T、傳播時延Tpd、發(fā)送時刻調(diào)整值tm。表中的i表示第i個節(jié)點，每個節(jié)點有唯一的標識ID，節(jié)點根據(jù)ID從表中獲取相應的信息內(nèi)容，整個網(wǎng)絡采用統(tǒng)一的工作周期T。主節(jié)點根據(jù)傳播時延進行各分節(jié)點工作時隙的交錯布置:給不同的分節(jié)點設置不同的發(fā)送時刻調(diào)整值tm，各分節(jié)點根據(jù)tm設置自己的發(fā)送時刻。主節(jié)點布置完時間表后，將它廣播給網(wǎng)絡中所有的分節(jié)點。結(jié)合圖4。圖4是各分節(jié)點根據(jù)時間表信息進行本地時鐘映射的示意圖，圖中i表示第i個分節(jié)點。下面以第i個分節(jié)點為例說明具體的映射過程。分節(jié)點i收到時間表后，記錄當前時刻k為起始時刻，根據(jù)本節(jié)點ID號從時刻表中獲取對應信息，包括與主節(jié)點的傳播時延Tpd1、網(wǎng)絡工作周期T、發(fā)送時刻調(diào)整值tmi，則此分節(jié)點發(fā)送時刻tis為:tis=tir+tmi+k T, k=0, 1，2，...(2)本地時鐘映射完成之后，分節(jié)點進入工作流程:到達發(fā)送時刻即開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，進行一段時長為Tpdi的偵聽，如果有主節(jié)點返回的ACK信號，則根據(jù)ACK信號中的信息調(diào)整下一次發(fā)送時間，然后進入休眠，反之，則直接進入休眠。等到下一個工作周期，節(jié)點自動喚醒并進入數(shù)據(jù)發(fā)送流程。結(jié)合圖5。主節(jié)點在初始化階段，根據(jù)各分節(jié)點的工作時間表將對應分節(jié)點的數(shù)據(jù)接收時刻映射到本地時間軸上，相鄰的數(shù)據(jù)接收時間段之間留有保護間隔，當數(shù)據(jù)接收時刻超出對應的臨界范圍時，發(fā)送ACK信號通知對應分節(jié)點在下個周期進行工作時間調(diào)整，調(diào)整值包含在ACK信號中，反之，則不發(fā)送任何信息。以接收分節(jié)點i的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)i)為例，假設按初始化時的時間表安排，數(shù)據(jù)i應該到達的時刻為h，數(shù)據(jù)接收持續(xù)時間為Tdata，數(shù)據(jù)i在安全時間Ts內(nèi)接收完畢，則不會與相鄰的數(shù)據(jù)接收產(chǎn)生沖突，安全時間Ts為:tQ ~—Tg <Ts<t0+ Tdata +-Te{.,)則數(shù)據(jù)i的到達時刻\在+ + )內(nèi)時，不影響相鄰數(shù)據(jù)的接收，主節(jié)
點不返回任何信息，反之，則發(fā)送ACK通知分節(jié)點i在下個工作周期進行時間調(diào)整，調(diào)整值A tm 為:At111=Vt0 (4)
如果Λ tm>0，則接收時刻延后，分節(jié)點i下個周期工作時間需要提前Atm ；
如果Λ tm〈0，·則接收時刻超前，分節(jié)點i下個周期工作時間需要延后Δ tm。
權(quán)利要求
1.一種水聲通信網(wǎng)絡時分復用方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)主節(jié)點廣播初始化信號，記錄主節(jié)點發(fā)送時刻tsA，分節(jié)點回復初始化清除信號，主節(jié)點收到初始化清除信號后，記錄主節(jié)點接收時刻tM，獲取主節(jié)點與分節(jié)點的傳播時延TpdA, TpdA_trA tsA ; (2)根據(jù)時延信息，給各分節(jié)點設置不同的發(fā)送時刻調(diào)整值tm，布置分節(jié)點的發(fā)送時隙，主節(jié)點建立對應的接收時隙； (3)主節(jié)點將布置完成的時間表廣播給分節(jié)點； (4)分節(jié)點收到時間表時，記錄當前時刻為起始時刻，根據(jù)該分節(jié)點ID號從時刻表中獲取對應信息，包括與主節(jié)點的傳播時延Tpd1、網(wǎng)絡工作周期T、發(fā)送時刻調(diào)整值tmi，則分節(jié)點發(fā)送時刻tis為: tis=tir+tmi+kT, k=0, I, 2,...； (5)分節(jié)點在發(fā)送時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進行時長為Tpdi的偵聽； (6)主節(jié)點根據(jù)接收到分節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻，判斷時鐘漂移是否在安全區(qū)內(nèi)，如果超過臨界值，則向分節(jié)點發(fā)送通知信號，調(diào)整下次分節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，如果不超過臨界值，則不發(fā)送信息； (7)分節(jié)點在偵聽時長內(nèi)監(jiān)聽主節(jié)點發(fā)送的通知信號，如果有通知信號，根據(jù)通知信號中的時間表調(diào)整信息，調(diào)整下次工作時間；如果沒有通知信號，等待下一個工作周期發(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)絡時分復用方法，其特征在于:所述的主節(jié)點在相鄰的數(shù)據(jù)接收時隙之間設置保護間隔，當對應時刻數(shù)據(jù)的到達時間出現(xiàn)的漂移超過臨界值時，給對應的分節(jié)點返回通知信號，通知下次數(shù)據(jù)發(fā)送需要調(diào)整的時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及水聲通信領域，特別涉及一種實現(xiàn)時分復用時，不需要全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點時鐘的嚴格同步，不需要周期地廣播同步信號，采用集中式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的水聲通信網(wǎng)絡時分復用(TDMA)技術(shù)。本發(fā)明包括主節(jié)點廣播初始化信號；布置分節(jié)點的發(fā)送時隙,主節(jié)點建立對應的接收時隙；主節(jié)點將布置完成的時間表廣播給分節(jié)點；分節(jié)點根據(jù)ID號從時刻表中獲取對應信息；進行偵聽；判斷時鐘漂移是否在安全區(qū)內(nèi)；分節(jié)點在偵聽時長內(nèi)監(jiān)聽主節(jié)點發(fā)送的通知信號。本發(fā)明不需要網(wǎng)絡全局時鐘的嚴格同步，主、分節(jié)點以本地時鐘為參考進行工作。不需要周期地廣播同步信號，在數(shù)據(jù)通信過程中完成時間表修正。分節(jié)點工作時隙交錯布置，時間利用率高。
文檔編號H04J3/00GK103248435SQ201310131688
公開日2013年8月14日 申請日期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 申請人:哈爾濱工程大學