[发明专利]一种应用于线性多跳水声传感器网络的时隙分配方法

说明书

一种应用于线性多跳水声传感器网络的时隙分配方法，涉及水声通信。1)初始化调度矩阵、链路矩阵和编码状态矩阵；2)计算当前调度矩阵的干扰矩阵；3)通过判断开始调度时隙是否满足“发送‑接收约束”条件，计算当前未完成调度的最长链路矩阵的开始调度时隙并输出；4)调整链路矩阵与调度矩阵同型，更新调度矩阵和编码状态矩阵；5)判断系统内是否有链路未完成调度，若有则返回步骤2)，若无则全部调度完成，输出最终调度矩阵和编码状态矩阵。方法以链路作为最小调度单元，通过引入物理层网络编码技术，允许中继节点同时接收两个邻居节点发送的数据包，根据链路的干扰关系最小化时帧周期，提高网络传输的空间复用率和吞吐量。

技术领域

本发明涉及水声通信、水声网络、链路层协议(MAC)设计领域，尤其是涉及一种应用于线性多跳水声传感器网络的时隙分配方法。

背景技术

目前，水下声波通信是最为经济有效的水下信息传输方式，其具有光、电磁波无法比拟的通信距离与远低于电缆传输的海洋资源开发成本。然而，与陆地无线信道相比，水声信道仍具有信号衰减大、背景噪声强、可用频带窄、传播延时长等缺点，同时具有频变、时变和空变的特性。

MAC协议作为水声传感网络系统的底层协议，解决多个节点共享一条链路时信道资源的分配问题，对吞吐量、端到端时延、能量效率等性能具有深远的影响。与陆地无线网络相比，水声传感器网络MAC协议的设计要面临传播延时长、隐藏终端与暴露终端、空时不确定性、漏斗效应和能量受限等问题，同时受限于水声信道特性，水声传感器网络节点物理层的通信速率更低、可靠性也无法时刻保障数据包的准确传输，这些问题的存在为水声传感器网络的MAC协议设计带来空前的挑战。

基于竞争的MAC协议中节点通过相互竞争才能获得信道的使用权。节点一旦有数据包需要发送，会在发送数据包之前先检测信道是否空闲，若信道空闲则发送数据包，否则随机退避。基于竞争的MAC协议其优势在于不需要严格的时间同步算法，更能适应网络负载和网络拓扑结构的变化。但当业务较大时，由于数据的传输不需要信道预约而直接发送，会引起大量数据发生碰撞，极大地降低信道的利用率和吞吐量，同时由于数据包冲突而产生的能量浪费急剧增加，造成极低的能量效率。

无竞争的MAC协议将信道分成小段，节点按预先划分好的段和预先设定的分配方案来使用信道资源，保证给定的段内只有一个节点访问信道，且不与其它节点产生数据包冲突。根据段的划分不同，无竞争的MAC协议主要分为频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)。由于水声信道带宽有限与优越的能量效率，基于TDMA思想的MAC协议具有极大优势。基于TDMA的MAC协议将时间轴划分为等长的时帧，每一时帧又被划分为多个时隙，协议的设计目标是为网内的每个节点分配时隙，其难点在于如何协调各个节点的发送时隙以实现较高的吞吐量。

发明内容

本发明的目的在于针对线性多跳水声传感器网络如何为各个节点分配发送时隙，将本节点产生的业务量和上游节点传递过来的业务量通过逐跳传递的方式传输到汇聚节点等问题，提供一种应用于线性多跳水声传感器网络的时隙分配方法。本发明以链路作为最小调度单元，通过引入物理层网络编码(PNC)技术，允许中继节点同时接收两个邻居节点发送的数据包，根据链路的干扰关系最小化时帧周期，提高网络传输的空间复用率和吞吐量。

本发明包括以下步骤：

1)初始化调度矩阵Q、链路矩阵L_i和编码状态矩阵P；

2)计算当前调度矩阵的干扰矩阵I_Q；

3)通过判断当前开始调度时隙t_s是否满足“发送-接收约束”条件，计算当前未完成调度的最长链路矩阵L_i的开始调度时隙t_s并输出；

4)调整链路矩阵L_i为与调度矩阵Q同型，更新调度矩阵Q和编码状态矩阵P；