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t

说明书

技术领域

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

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。

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

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：

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D_i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t_{ir_RTS}＝t_{1r_RTS}+(i-1)×(T_RTS+2Δτ)时刻开始接收第i个节点的RTS报文，其中T_RTS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,t_{is_RTS}＝t_{ir_RTS}-τ_i+Δτ；

(2)接收节点按照t_{ir_RTS}＝t_{1r_RTS}+(i-1)×(T_RTS+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t_ir′。通过RTS报文的发送时间t_{is_RTS}和到达时间t_{ir_RTS}′可确定发送节点i和接收节点间准确时延τ_i′＝t_{ir_RTS}′-t_{is_RTS}；

(3)接收节点根据准确的时延τ_i′和DATA包的长度，安排接收DATA包的时间，设接收节点准备 在t_ir-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t_{is_DATA}＝t_{ir_DATA}-τ_i′。

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

图1.节点运动对报文接收的影响。

图2.考虑节点位置变化后的方法设计。

具体实施方式

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：

(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。

(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。

(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。

(4)水下通信网络中存在着公共的控制信道。

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。

1.RTS报文

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T_{DATA_i}。

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T_RTS。

(1)各个发送节点发送RTS报文时间的确定：

发送节点已知各个发送节点到接收节点间的初始距离D_i和传输时延为声波在水中的传播速度)。设接收节点在t_{1r_RTS}时刻开始接收第一个RTS包，则距离最近的发送节点需在t_{1s_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t_{1s_RTR}＝t_{1r_RTR}-τ₁+Δτ。

设接收节点开始接收各个RTS包的时间为t_ir-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t_{ir_RTS}＝t_{1r_RTS}+(i-1)×(T_RTS+2Δτ)。

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t_{is_RTS},t_{is_RTS}＝t_{ir_RTS}-τ_i+Δτ。

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。

(2)各个发送节点和接收节点之间真实时延的确定：

设各个RTS报文的真实到达时间分别为t_ir′，则可以通过t_{is_RTS}和t_{ir_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τ_i′，则τ_i′＝t_{ir_RTS}′-t_{is_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。

2.CTS报文

接收节点在收到全部的RTS报文后，根据准确的时延τ_i′和DATA包的长度，安排接收DATA包的时间。设接收节点准备在t_ir-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t_{is_DATA}＝t_{ir_DATA}-τ_i′。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t_{is_DATA}。

3.DATA报文

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。

4.ACK报文

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。