本發(fā)明涉及一種在基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法。

背景技術(shù)：

地球表面的大約70％被海水覆蓋,而且現(xiàn)在大部分海洋仍然沒(méi)有被開發(fā)。探索水下環(huán)境、開發(fā)海洋資源大大推動(dòng)了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想是能夠應(yīng)用到海洋地理數(shù)據(jù)收集、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底探索、輔助導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視等，可以為水下的各個(gè)應(yīng)用帶來(lái)技術(shù)支持與幫助。

水聲通信是物理層技術(shù)的典型應(yīng)用，幾乎大部分的水下通信都采用聲波方式。由于海水的衰減，無(wú)線電波不能夠適應(yīng)在水下傳感網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在海水下環(huán)境中，由于光通信受到海水散射和吸收的影響，所以無(wú)線電和光通信，僅用于短距離的水下通信。在大多數(shù)實(shí)際的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，水聲通信是唯一可行的技術(shù)。水聲信道具有長(zhǎng)傳播延遲、低比特率和容易出錯(cuò)的特點(diǎn)。水聲信號(hào)在水中的傳播速度約為1500米/秒，在水下傳播延遲比地面無(wú)線電頻率高五個(gè)數(shù)量級(jí)?？捎脦捰蓚鬏敺秶皖l率決定。當(dāng)前水聲環(huán)境復(fù)雜限制了通信性能，由于路徑損耗、多路徑、多普勒效應(yīng)的影響,水聲信道是很容易出錯(cuò)。

適用于水聲網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議是一個(gè)不同于陸上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的新領(lǐng)域，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，以及陸上協(xié)議物理層的限制，陸上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議是不能夠適應(yīng)到水聲網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議主要分為二類：一類是競(jìng)爭(zhēng)的mac協(xié)議，節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方式去獲得信道的使用，才能避免沖突，主要的協(xié)議有csma協(xié)議、s-mac協(xié)議、aloha協(xié)議等；另一類是基于調(diào)度的mac協(xié)議，通過(guò)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受方式，避免數(shù)據(jù)沖突，主要有cdma協(xié)議、fdma協(xié)議、tdma協(xié)議等。

本發(fā)明是提出一種基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)沖突的傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有序傳輸數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺览寐省?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，通過(guò)雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有序傳輸數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺览寐省?/p>

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，該方法包含以下步驟：

網(wǎng)絡(luò)部署，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選作主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；

有序順序的建立，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以監(jiān)視每個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，采用最臨近算法建立有序順序表；

根據(jù)有序順序表進(jìn)行雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有序的進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)信道，采用csma協(xié)議機(jī)制；

采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，為了保證節(jié)點(diǎn)間按照正序序列或逆序序列正常的傳輸；

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或節(jié)點(diǎn)失敗，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)廣播關(guān)于傳輸命令的信息，以適應(yīng)拓?fù)渥兓⒏淖冸p輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制；

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟一：本發(fā)明一種基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法主要解決的是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸沖突問(wèn)題，所述的選取網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量、初始能量作為參數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的閾值進(jìn)行設(shè)置，選擇高于閾值且能量高的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟二：在獲取各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置d(c,cj)后，c代表主節(jié)點(diǎn)，cj是靜態(tài)拓?fù)渲械钠溆喙?jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立一個(gè)正序傳輸順序列表a以及逆序傳輸順序列表b。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟二：所述的最臨近算法是指，k個(gè)最近的鄰居的意思，說(shuō)的是每個(gè)樣本都可以用它最接近的k個(gè)鄰居來(lái)代表。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟三：所述的csma協(xié)議機(jī)制是指，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先要監(jiān)聽信道是否空閑，如果信道空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟三：所述的雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制是指，當(dāng)節(jié)點(diǎn)正序和逆序雙傳輸順序廣播到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)按照正序循環(huán)和逆序循環(huán)的方式遵循這一順序進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟四：所述采用超時(shí)計(jì)數(shù)器是指，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器去觸發(fā)傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)幀記錄每個(gè)數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時(shí)間。

上述的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，根據(jù)所述步驟五，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)控從每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，不斷以獲取關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息。

本發(fā)明提供了一種基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，只需要節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的有序順序表進(jìn)行有序傳輸，通過(guò)空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器保證節(jié)點(diǎn)間正常的傳輸，以及拓?fù)涞目刂?，完成無(wú)沖突的方法。它可有效提高網(wǎng)絡(luò)的信道利用率，能夠大大的提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)用性強(qiáng)，易于推廣。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法發(fā)明流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)圖；

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。提供實(shí)施例的目的是本發(fā)明的公開內(nèi)容理解更加透徹全面。

本發(fā)明提供的基于雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖突方法，有效的應(yīng)用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，有效提高網(wǎng)絡(luò)的信道利用率，能夠大大的提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到科學(xué)執(zhí)行目的：

請(qǐng)參照?qǐng)D1發(fā)明流程圖，本實(shí)施例方法步驟如下:

步驟一：網(wǎng)絡(luò)部署，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選作主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；

步驟二：有序順序的建立，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以監(jiān)視每個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，采用最臨近算法建立有序順序；

步驟三：根據(jù)有序順序表進(jìn)行雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有序的進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)信道，采用csma協(xié)議機(jī)制；

步驟四：采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，為了保證節(jié)點(diǎn)間按照正序序列或逆序序列正常的傳輸；

步驟五：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)維護(hù)，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或節(jié)點(diǎn)失敗。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)部署步驟中，選取網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的原則，相對(duì)比其它節(jié)點(diǎn)能量高的節(jié)點(diǎn)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的選取，將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量、初始能量作為參數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)選網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的閾值進(jìn)行設(shè)置，選擇高于閾值且能量高的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，在獲取各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置d(c,cj)后，c代表主節(jié)點(diǎn)，cj是靜態(tài)拓?fù)渲械钠溆喙?jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立一個(gè)正序傳輸順序列表a以及逆序傳輸順序列表b，從源到目的地的路由總長(zhǎng)度順序列表，利用下面的公式進(jìn)行計(jì)算相對(duì)距離。

旅行推銷員問(wèn)題(travellingsalesmanproblem,簡(jiǎn)記tsp)是為了找到有序節(jié)點(diǎn)之間的最小的行程距離，在單跳網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目往往是小于平均12個(gè)，采用最臨近算法；

在本發(fā)明的實(shí)施例中，雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制可以進(jìn)一步的概括為：通過(guò)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的有序順序表，其中主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到是正序的有序節(jié)點(diǎn)的信息，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到是逆序的有序節(jié)點(diǎn)信息，分別廣播一個(gè)包含正序和逆序的有序序列表的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得有序序列表后，節(jié)點(diǎn)就根據(jù)協(xié)議以循環(huán)的方式傳輸數(shù)據(jù)，其中二種循環(huán)列表實(shí)現(xiàn)了雙輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)正序和逆序雙傳輸順序廣播到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)按照正序循環(huán)和逆序循環(huán)的方式遵循這一順序進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)先是按照正序循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在一定的時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)會(huì)按照逆序循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它必須等待正序循環(huán)或者逆序循環(huán)順序序列之一輪轉(zhuǎn)到它，才可以去傳輸數(shù)據(jù)幀。下一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)在接受到前一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀，觸發(fā)發(fā)送機(jī)制，立即去發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是等待最大的傳播時(shí)延或者保護(hù)時(shí)間。要做到這一點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要不斷地檢測(cè)數(shù)據(jù)幀，并將其區(qū)分開來(lái)接收幀。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到來(lái)自前一節(jié)點(diǎn)傳輸載波的終止信息，它會(huì)在一個(gè)硬件的傳輸和接受的過(guò)渡時(shí)間后，立即開始傳輸數(shù)據(jù)幀。當(dāng)完成傳輸，節(jié)點(diǎn)返回到檢測(cè)狀態(tài)。由于采用雙輪調(diào)機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不是去檢測(cè)信道的忙碌狀態(tài)，而是接到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀后，開始傳輸數(shù)據(jù)幀，有效地避免傳播延遲對(duì)載波的監(jiān)聽的影響。如果上一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，緩沖區(qū)中沒(méi)有數(shù)據(jù)幀，采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，達(dá)到一定的時(shí)間，節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開始傳輸。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，csma協(xié)議機(jī)制是指，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先要監(jiān)聽信道是否空閑，如果信道空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果監(jiān)聽到信道忙時(shí)，仍然繼續(xù)監(jiān)聽信道狀態(tài)，一直等到信道狀態(tài)空閑開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，最臨近算法是指，k個(gè)最近的鄰居的意思，說(shuō)的是每個(gè)樣本都可以用它最接近的k個(gè)鄰居來(lái)代表。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，超時(shí)計(jì)數(shù)器可進(jìn)一步的概括，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器去觸發(fā)傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)幀記錄每個(gè)數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時(shí)間，然后根據(jù)該記錄對(duì)預(yù)測(cè)下一傳輸時(shí)間，因?yàn)閮烧咧g的傳輸延遲的記錄在同一節(jié)點(diǎn)相同。如果節(jié)點(diǎn)在預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有收到來(lái)自上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，空閑超時(shí)計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)候的時(shí)間超過(guò)超時(shí)計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值后仍然會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)控從每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，不斷以獲取關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或節(jié)點(diǎn)失敗，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)廣播關(guān)于傳輸命令的信息，以適應(yīng)拓?fù)渥兓?，并改變雙輪轉(zhuǎn)順序，該方法可以使拓?fù)淅^續(xù)保持高效率。

下面用一個(gè)實(shí)例來(lái)闡述本方法。

如圖2節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)圖所示，假設(shè)有五個(gè)節(jié)點(diǎn)abcde，淺灰色的數(shù)據(jù)表示發(fā)送方，黑色的數(shù)據(jù)表示接收方，正序順序?yàn)閍bcde節(jié)點(diǎn)，逆序順序?yàn)閑dcba節(jié)點(diǎn)。首先，按照正序循環(huán)，節(jié)點(diǎn)a發(fā)送數(shù)據(jù)幀給節(jié)點(diǎn)c，但要經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)b，同時(shí)逆序循環(huán)也在進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)e在一定的時(shí)間后(時(shí)間定義為在節(jié)點(diǎn)a按照正序順序開始發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的發(fā)送時(shí)間與到達(dá)節(jié)點(diǎn)b數(shù)據(jù)的接受時(shí)間之間)，按照逆序循環(huán)方式發(fā)送數(shù)據(jù)幀5給節(jié)點(diǎn)d；當(dāng)正序循環(huán)輪訓(xùn)到節(jié)點(diǎn)b，它接受來(lái)自節(jié)點(diǎn)a的數(shù)據(jù)幀1傳輸后，發(fā)送數(shù)據(jù)幀2，接著節(jié)點(diǎn)c發(fā)送數(shù)據(jù)，在節(jié)點(diǎn)c采用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，后進(jìn)先出的方式傳輸數(shù)據(jù)幀，也就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)c接受到節(jié)點(diǎn)b的數(shù)據(jù)幀后，又檢測(cè)到逆序輪訓(xùn)節(jié)點(diǎn)d發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，節(jié)點(diǎn)c等待接受節(jié)點(diǎn)d的數(shù)據(jù)，而不是去轉(zhuǎn)發(fā)剛接收節(jié)點(diǎn)c的數(shù)據(jù)，此時(shí)輪訓(xùn)會(huì)有一個(gè)等待時(shí)延(時(shí)間定義為小于信道長(zhǎng)度/傳輸速率)，當(dāng)c接受完數(shù)據(jù)后，會(huì)先傳輸節(jié)點(diǎn)d的數(shù)據(jù)幀，再傳輸節(jié)點(diǎn)b的數(shù)據(jù)幀。前一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)采用超時(shí)計(jì)數(shù)器，如果達(dá)到一定的時(shí)間，仍然會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開始傳輸，這是不同于等待檢測(cè)信道忙碌狀態(tài)的傳統(tǒng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明的已在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中驗(yàn)證，其證明可大大提高信道利用率。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。