本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無人船動態(tài)接入水聲通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著無人平臺的興起和相關(guān)技術(shù)的成熟完善，無人船平臺逐漸成為海洋技術(shù)研發(fā)的一個熱點。近十年來已有超過10個國家40多個海洋研究單位開發(fā)了不同用途的無人船，應(yīng)用包括環(huán)境監(jiān)測、海洋測繪、水上水下通訊中繼等，主要開展了針對海洋研究對象的自動控制、數(shù)據(jù)處理等。雖然無人船受海洋環(huán)境影響較大，但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人船的基礎(chǔ)驅(qū)動控制發(fā)展已較為完善，而面向任務(wù)的調(diào)度優(yōu)化仍是無人船未來發(fā)展的重點，也是其應(yīng)用的優(yōu)勢和重要形式。水聲通信是一種長距離水下通信方式。目前點對點水聲通信逐漸發(fā)展到應(yīng)用階段，已有多種商業(yè)化水聲Modem，例如德國Evologics公司、美國Teledyne Benthos公司、美國LinkQuest公司等。雖然點對點水聲通信已走向應(yīng)用，但支持水聲網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)還在發(fā)展中，研究基于商業(yè)化水聲產(chǎn)品實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)回收是一個有價值的研究問題。

無人船與水聲通信結(jié)合，可形成水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回收的一種新途徑。數(shù)據(jù)優(yōu)化回收的接入?yún)f(xié)議，是指平臺與各個節(jié)點間的通信接入?yún)f(xié)議。目前多址接入?yún)f(xié)議可以分為非競爭式、競爭式和混合式三種。非競爭協(xié)議主要包括時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、頻分多址(FDMA)。因為受水聲通信帶寬的限制，F(xiàn)DMA是不現(xiàn)實的，而CDMA技術(shù)對于水聲Modem的物理層有嚴格要求，目前支持CDMA的水聲Modem產(chǎn)品并不多見。另一種接入方式是TDMA，其本質(zhì)上是基于時間調(diào)度的，它的最大特點就是對物理層依賴少，這樣可以利用產(chǎn)品級的水聲Modem，通過開發(fā)上層協(xié)議來實現(xiàn)接入。競爭協(xié)議 主要分為隨機接入和基于握手協(xié)議兩種，主要進行短幀傳輸，應(yīng)對突發(fā)情況?；旌蠀f(xié)議結(jié)合兩者的優(yōu)勢來處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信情況。針對無人船的通訊特點，現(xiàn)有的技術(shù)存在數(shù)據(jù)回收效率低，成本高，易受人損壞的不足之處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種無人船搭載水聲節(jié)點動態(tài)接入水聲通信網(wǎng)的接入?yún)f(xié)議方法，所述方法為水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)回收提供了一種新的思路和接入?yún)f(xié)議設(shè)計方法，實現(xiàn)自主、無線的數(shù)據(jù)回收，提高數(shù)據(jù)回收的可靠性和效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案為，基于無人船的動態(tài)接入水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方法，所述方法按照無人船通信時的運動狀態(tài)，設(shè)計了無人船移動模式和固定模式協(xié)議方法，所述無人船移動模式協(xié)議方法是基于無人船移動特性的混合協(xié)議，在刷新重組階段中，采用隨機競爭協(xié)議，無人船作為簇頭，水聲節(jié)點向無人船發(fā)送J/L/S短幀包進行預(yù)約，刷新重組成簇；在數(shù)據(jù)傳輸階段，改進時分多址協(xié)議，對無人船移動引起的偏差加入了個性化時間補償方案；所述無人船固定模式協(xié)議方法是以通信距離強度模型為基礎(chǔ)，以通信消耗模型和回收信息量模型為性能衡量指標，確定不同水聲通信能力、節(jié)點接入方式、協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸周期和無人船航行路徑對水聲監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)回收性能的影響，設(shè)計接入?yún)f(xié)議參數(shù)，實現(xiàn)能效最優(yōu)的數(shù)據(jù)回收。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明為水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)回收提供了一種新的思路和接入?yún)f(xié)議設(shè)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)自主的、無線的數(shù)據(jù)回收，并且利用無人船的機動性來彌補水聲通信的不確定性，提高數(shù)據(jù)回收的可靠性和效率；

2)針對無人船不同的應(yīng)用場景，設(shè)計出無人船搭載水聲節(jié)點動態(tài)接入水聲 監(jiān)測網(wǎng)的不同接入?yún)f(xié)議方法，分別為移動模式協(xié)議設(shè)計和固定模式協(xié)議設(shè)計；

3)在無人船移動模式下，設(shè)計了一種基于無人船移動特性的混合協(xié)議，結(jié)合了隨機接入?yún)f(xié)議和時分多址協(xié)議的優(yōu)勢，并在數(shù)據(jù)傳輸階段設(shè)計了改進時分多址協(xié)議，對無人船移動引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化加入了個性化時間補償方案。

4)在無人船固定模式下，設(shè)計了一種接入?yún)f(xié)議邏輯，以實驗數(shù)據(jù)驗證的通信強度模型為基礎(chǔ)，以通信消耗模型和回收信息量模型為性能衡量指標，確定不同水聲通信能力、節(jié)點接入方式、協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸周期和無人船航行路徑對水聲監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)回收性能的影響，設(shè)計最終的接入?yún)f(xié)議參數(shù)，實現(xiàn)能效最優(yōu)的數(shù)據(jù)回收。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無人船動態(tài)接入水聲通信網(wǎng)協(xié)議設(shè)計方法示意圖。

圖中，1、是隨機競爭協(xié)議；2、是改進時分多址協(xié)議；3、是無人船通信半徑；4、是節(jié)點接入方式；5、是協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸周期；6、是無人船航行路徑。

圖2是無人船移動模式數(shù)據(jù)回收網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是無人船固定模式數(shù)據(jù)回收網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是無人船移動模式協(xié)議方法超幀結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

參見圖1至圖4所示，本發(fā)明一種基于無人船的接入?yún)f(xié)議方法，所述方法按照無人船通信時的運動狀態(tài)，設(shè)計了不同的接入?yún)f(xié)議方法，分別為無人船移動模式和固定模式協(xié)議方法。

針對無人船在移動過程中進行數(shù)據(jù)回收的情景，設(shè)計移動模式協(xié)議方法， 無人船移動回收數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨著無人船的移動而發(fā)生變化，在無人船通信范圍內(nèi)且有數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃暪?jié)點傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)到無人船，采用單跳的方式傳輸。移動模式接入?yún)f(xié)議方法需要設(shè)計超幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)包時隙為：

式(1)中，L為數(shù)據(jù)包長度，r為水聲節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸率；

時分多址協(xié)議中水聲節(jié)點的保護時隙為：

式(2)中，σ為水聲環(huán)境中的時延抖動，其隨距離增大而增大；

時分多址協(xié)議中，每個水聲節(jié)點接收到無人船Broadcast幀后的延時時間為：

式(3)中，d_i為每個水聲節(jié)點與無人船間的距離；

個性化時間補償時隙為：

式(4)中，v_USV為無人船的航行速度，c為聲波的速度，T_p(k)為第k個節(jié)點的保護時隙，d₁為最近的水聲節(jié)點與無人船間的距離；

式(5)中，L_total為當前簇內(nèi)數(shù)據(jù)包總長度、L_d單個數(shù)據(jù)包長度，N_c當前簇內(nèi)的水聲節(jié)點數(shù)目；

移動模式協(xié)議方法步驟：

M1：無人船按規(guī)定路徑自主航行，勻速行駛進入水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；

M2：無人船作為簇頭，水聲節(jié)點采用隨機競爭協(xié)議，開始進行刷新重組階段；

M3：無人船廣播喚醒信號s_w，在通信范圍內(nèi)且準備開始傳輸數(shù)據(jù)的水聲節(jié)點處于Wakeup狀態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)完畢或沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點處于Idle狀態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)還未結(jié)束的節(jié)點處于Stay狀態(tài)；

M4：處于wakeup狀態(tài)的節(jié)點，采用隨機退避算法發(fā)送Join信號，處于Idle狀態(tài)的節(jié)點發(fā)送Leave信號或不發(fā)送信號，處于Stay狀態(tài)的節(jié)點發(fā)送Stay信號；

M5：發(fā)送Join信號和Stay信號的節(jié)點ID加入current_cluste_list列表，發(fā)送Leave信號的節(jié)點移除current_cluste_list列表；

M6：無人船根據(jù)current_cluste_list列表更新成簇，更新后的簇內(nèi)節(jié)點采用改進時分多址協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸階段；

M7：根據(jù)current_cluste_list列表中的水聲節(jié)點信息，廣播Broadcast信號進行分配時隙，計算公式見公式(2)-(4)；

M8：簇內(nèi)節(jié)點接收到Broadcast信號后，在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時隙處于Listen狀態(tài)；

M9：簇內(nèi)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸DTP次，計算公式見公式(5)；

M10：無人船勻速按設(shè)計軌跡自主航行，重復(fù)刷新重組步驟M3-M5和數(shù)據(jù)傳輸步驟M7-M9，直到滿足數(shù)據(jù)回收要求，無人船停止航行。

利用無人船自動控制能力，可以適用于無人船在通信過程中固定不動，保證回收數(shù)據(jù)正確率的情景，設(shè)計固定模式協(xié)議方法。無人船固定模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。需要設(shè)計協(xié)議參數(shù)，使得無人船在盡量少的能量消耗下，最大限度地回收信息。

無人船總回收信息量可表示為：

Pr(x_USV(j),x_i)＝h(s(d,t)) (7)

式(6)和式(7)中，I(P)為無人船回收的信息量，x_i,i∈N,N＝{1,2,...,n}為傳感器節(jié)點位置，x_USV(j),j∈M,M＝{1,2,...,ω}為無人船位于第j簇簇頭的位置，I(Y_i)為i節(jié)點發(fā)送成功的信息量，Pr(x_USV,x_i)為基于通信距離強度的通信概率函數(shù)。P＝[x_USV(1),x_USV(2),...,x_USV(ω)]為無人船的一條航行路徑；

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通信距離強度可表示為：

式(8)中，d(j)＝D(x_USV(j),x_i)，D(x_USV,x_i)為無人船位置x_USV與i傳感器節(jié)點x_i之間的距離，s₀,k₀,k₁為擬合參數(shù)，δ(t)為隨機擾動；

無人船處于第j簇，采用不同的接入方式，數(shù)據(jù)包傳送失敗的概率不同，節(jié)點發(fā)送的信息量可表示為：

式(9)中，N_P(i)為第i節(jié)點要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)；

采用時分多址接入方式，第i節(jié)點任意一個數(shù)據(jù)包傳送失敗的概率為：

式(10)中，第i節(jié)點的數(shù)據(jù)包錯誤率為K(j)為第j簇的數(shù)據(jù)傳輸周期，f(i)表示第i節(jié)點所在的簇；

采用隨機接入方式，第i節(jié)點的平均數(shù)據(jù)包錯誤率為：

式(11)和式(12)中，a(j)為無人船處單位數(shù)據(jù)包時間的數(shù)據(jù)包到達率， Pr_j(NoCol)為無人船處于第j簇節(jié)點間不發(fā)生碰撞的概率，g(j)為第j簇的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目，用上式中的代替式(10)中的則可以計算隨機接入方式的回收信息量。

無人船總能量消耗可表示為：

式(13)中，E_com(j)分別為無人船處于第j簇的能量消耗，S_path(1),E_path(1)和S_path(ω+1),E_path(ω+1)分別為從起點到第一個簇頭和從第ω簇頭到終點的路徑長度和航行能耗，S_path(j),E_path(j)1<j≤ω為從第j-1簇頭到第j簇頭的路徑長度和航行能耗，ε為無人船在單位時間內(nèi)的航行功耗。

無人船在簇內(nèi)的能量消耗由節(jié)點發(fā)送能耗和節(jié)點接收能耗構(gòu)成，分別為：

E_reve(i)＝L_dε_elec (15)

式(14)和式(15)中，ε_elec是發(fā)送和接收電路的運行功耗，a(f)^d是放大參數(shù)，d₀(j)是無人船在第j簇的距離閾值。

而a(f)為吸收系數(shù)，f是聲信號頻率，當f為1kHz時，a(f)表示為：

固定模式協(xié)議方法需滿足要求：

D1：不同節(jié)點信息量無關(guān)，即E{I(Y_i)I(Y_j)}＝0，i≠j且

D2：水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)中的任一節(jié)點都屬于某個簇，f:N→M，即對于則有f(i)∈M；

D3：不同的簇的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目不同，g:M→Z⁺，即對于則有g(shù)(j)∈Z⁺；

D4：同一簇內(nèi)的節(jié)點ID以距離降序進行排序，即對于且f(s)＝f(k)，則滿足D(x_USV,x_s)<D(x_USV,x_k)。

固定模式協(xié)議方法步驟：

S1：根據(jù)水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)水聲節(jié)點信息進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)水聲節(jié)點的聚集程度進行虛擬粗略分簇，形成虛擬簇頭，從而產(chǎn)生不同的航行路徑；

S2：仿真模擬無人船自主航行過程，無人船航行到指定位置，廣播喚醒信號s_w，在通信范圍內(nèi)且有數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃暪?jié)點處于Wakeup狀態(tài)，發(fā)送Ack信號，準備傳輸數(shù)據(jù)；

S3：無人船根據(jù)節(jié)點Ack信號，設(shè)置不同的通信半徑，進行精確建簇，并且對簇內(nèi)節(jié)點進行排序編號；

S4：采用時分多址接入方式，無人船廣播Broadcast1信號，分配時隙；

S5：簇內(nèi)節(jié)點根據(jù)收到的Broadcast1信號，在分配的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在其余時隙處于Listen狀態(tài)，等待下一個周期傳輸；

S6：設(shè)置不同的協(xié)議傳輸周期，簇內(nèi)節(jié)點傳輸結(jié)束后，無人船航行到下一個虛擬簇頭，重復(fù)步驟S2-S6；

S7：在每個協(xié)議傳輸周期中計算水聲節(jié)點的信息量和通信能耗，計算公式分別見公式(6)-(10)和公式(14)-(16)；

S8：采用隨機競爭接入方式，不同于步驟S3-S6，同樣無人船廣播Broadcast2信號，類似于喚醒信號；

S9：簇內(nèi)節(jié)點收到Broadcast2信號后，采用隨機退避算法發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送與采用時分多址接入方式同樣的協(xié)議傳輸時間；

S10：簇內(nèi)節(jié)點傳輸時間到達指定協(xié)議傳輸時間后，同樣無人船航行到下一個虛擬簇頭，重復(fù)S2-S3和S8-S9步驟；

S11：同樣在協(xié)議傳輸過程中，計算水聲節(jié)點的信息量，設(shè)計到傳輸碰撞問題，計算平均數(shù)據(jù)包錯誤率，計算公式見公式(11)-(12)，其余與時分多址接入方式相同；

S12：根據(jù)模擬仿真結(jié)果，計算總回收信息量和總通信消耗，以及其效率比，計算公式見公式(6)和(13)，設(shè)計協(xié)議參數(shù)：③無人船通信半徑，④節(jié)點接入方式，⑤協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸周期，⑥無人船航行路徑；

S13：協(xié)議參數(shù)確定之后，無人船按設(shè)定的航行路徑，行駛到水聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)進行自主，無線數(shù)據(jù)回收，直到無人船航行到起點結(jié)束。

無人船協(xié)議設(shè)計方法步驟：

Z1：根據(jù)無人船的不同應(yīng)用場景，選擇的協(xié)議設(shè)計方法；

Z2：無人船在移動過程中進行數(shù)據(jù)回收，設(shè)計移動模式協(xié)議設(shè)計方法，方法設(shè)計步驟見步驟M1-M10；

Z3：無人船在通信過程中靜止不動進行數(shù)據(jù)回收，設(shè)計固定模式協(xié)議方法，方法設(shè)計步驟見步驟S1-S13。