具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

针对现有技术存在的问题，本发明的一方面提供了一种用于定向水声通信网络的介质访问控制方法，包括：

当发送节点准备发送数据时，如果信道空闲，通过所述发送节点向接收节点发送DRTS信号，以使所述接收节点向所述发送节点反馈DCTS信号；

当所述发送节点接收到所述接收节点发来的DCTS信号，由所述发送节点向所述接收节点发送DDATA信号，以使所述接收节点向所述发送节点反馈DACK信号，随后以全向的方式向邻节点发送busy tone信号；

当所述发送节点接收到所述接收节点发来的DACK信号，以全向的方式向邻节点发送busy tone信号，完成数据通信过程；

其中，水声信道被划分为数据子信道和busy tone子信道；

所述数据子信道，用于传输DRTS信号、DCTS信号、DDATA信号和DACK信号；

所述busy tone子信道，用于传输busy tone信号。

可选地，所述方法还包括：

通过网络初始化处理，构建任一节点对应的邻节点信息表；

所述邻节点信息表，用于表征邻节点的位置信息。

可选地，在网络初始化处理阶段，网络中的所有节点都分配了各自的busy tone信号频率，每个节点的busy tone信号频率均不相同；

所述busy tone信号频率用于确定源节点的标识。

可选地，所述方法还包括：

当发送节点没有数据进行发送时，所述发送节点选择退避，并以全向的方式进行信道侦听；

当所述发送节点要发送数据包的接收节点方向的信道繁忙，则所述发送节点选择退避；

所述发送节点在发送DRTS信号或DDATA信号时，均设置有定时器，以侦听定时时间内是否接收到来自接收节点的反馈信号，如果没有在定时时间内接收到来自接收节点的反馈信号，则重新向所述接收节点发送新的DRTS信号或DDATA信号。

可选地，节点采用多模合成定向换能器进行定向信息发送；

节点采用矢量水听器进行定向信息接收。

可选地，所述方法还包括：

当发送节点执行退避倒计时时切换到全向模式来监听信道；

如果发送节点监听到信号，则所述发送节点首先确定信号的方向，并根据信号的方向采取对应的措施；

当信号的方向与接收节点的方向不同时，发送节点继续退避倒计时；

当信号方向与接收节点相同时，则发送节点取消倒计时。

本发明另一方面提供了一种用于定向水声通信网络的介质访问控制方法，包括：

由接收节点接收发送节点发送的DRTS信号；

根据所述DRTS信号向所述发送节点发送DCTS信号，以使所述发送节点向所述接收节点发送DDATA信号；

根据接收到发送节点发送的DDATA信号，向所述发送节点发送DACK信号；

所述接收节点以全向的方式向邻节点发送busy tone信号，完成数据通信过程；

其中，水声信道被划分为数据子信道和busy tone子信道；

所述数据子信道，用于传输DRTS信号、DCTS信号、DDATA信号和DACK信号；

所述busy tone子信道，用于传输busy tone信号。

可选地，所述方法还包括：

所述接收节点向所述发送节点发送DCTS信号时，设置有定时器，以侦听定时时间内是否接收到来自发送节点的反馈信号，如果没有在定时时间内接收到来自发送节点的反馈信号，则重新向所述发送节点发送新的DCTS信号。

本发明实施例的另一方面提供了一种用于定向水声通信网络的介质访问控制方法，包括：

每个邻节点以全向的方式侦听信道；

所述邻节点根据接收到发送节点或者接收节点发送的busy tone信号，确定源节点标识；

根据所述源节点标识，确定源节点为目的节点，则所述邻节点向所述目的节点发送数据包，完成数据通信过程。

可选地。所述方法还包括：

所述邻节点如果没有收到回复信号，则选择退避，并以全向的方式侦听信道；

所述邻节点如果没有收到busy tone信号，则选择退避；

所述邻节点根据所述源节点标识，确定源节点不是目的节点，则所述邻节点选择退避。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

下面结合说明书附图，对本发明的具体实现原理进行详细说明：

如图1所示，本发明所用定向换能器的发射模型是基于多模合成定向换能器。与其他类型的水声定向换能器相比，多模合成定向换能器具有体积小、主瓣宽、无副瓣等优点。由于旁瓣增益较大，不会干扰其他节点的通信。多模合成方向性定向换能器可以激发多模波束模式。通过对不同模式的波束赋以不同的权重，通过加权组合形成指向性。不同空间方位角辐射声场的表达式如下：

其中，θ是空间方位角，B_n是第n_th个模态的权重，cos(nθ)是第n_th个模态的归一化方向性函数。p(θ)确定后，可通过以下公式获得第n_th个模态的权重：

因此，可以根据p(θ)计算各模态的权重，实现定向传输。

基于矢量水听器工作原理建立定向换能器接收模型。矢量水听器同时测量空间某一点上质点速度和声压的三个正交分量。对于在某一方向上传播的声信号，其振动速度与到达方向一致，因此单矢量水听器可以完成声源的方向估计。一般来说，利用单矢量水听器的方向性估计波达方向有两种方法：平均声强检测器和复声强检测器。两种方法的测向误差如下：

其中，M＝2BT，B表示带宽，T表示积分时间， 表示信号功率，表示噪声功率。

本发明所采用的定向换能器模型如图1所示。天线由M个等尺寸的波束组成，所有波束的传输范围不相互覆盖。从三点钟位置开始，从1到M顺时针对传输的波束进行编号。天线可以通过M个波束中的任意一个发射和接收信号。同时，本发明中节点天线可以在全向模式下传输数据，并且传输范围与定向模式下相同。

本申请中在网络初始化阶段，网络节点已经完成了邻居节点的发现过程，每个节点都有一个邻居节点信息表，其中包含了邻居节点的位置信息等信息。节点通过邻居节点信息表可以知道其邻居节点的相对位置。邻节点信息表可以根据接收到的信息进行实时更新。

完成邻节点发现过程后，网络中的节点以全向模式监听信道。由于在之前的邻居节点发现过程中，网络中的节点已经获得了各自邻居节点的位置信息。当节点要发送信息时，发送节点将天线方向对准接收节点，以定向方式进行信道侦听。如果该方向的信道空闲，则发送节点选择退避一段时间。在本发明中，当发送节点执行退避倒计时时切换到全向模式来监听信道。与大多数介质访问控制方法不同的是，在此期间，如果发送节点监听到信号，该节点不会直接取消倒计时，而是首先确定信号的方向，并根据信号的方向采取不同的措施。当信号的方向与接收节点的方向不同时，发送节点继续退避倒计时。如果信号方向与接收节点相同，则发送节点取消倒计时。

在本发明中，网络节点间的通信采用经典的四路握手方式。与基于全向传输技术的介质访问控制方法不同，本发明中的所有信息传输过程采用了定向与全向两种方式。水声信道分为两个子信道：数据子信道和busy tone子信道，其中，busy tone子信道的带宽比数据子信道的带宽窄得多。数据子信道用于传输DRTS、DCTS、DDATA和DACK信号，而busytone子信道仅传输busy tone信号。busy tone信号是具有足够频谱间隔的单频信号。本发明中，在网络初始化阶段，网络中的所有节点都分配了各自的busy tone信号频率，并且所有节点的busy tone信号频率是不同的。任何一个节点都知道其他节点的busy tone信号频率，节点可以根据接收到的busy tone信号频率来确定源节点的ID，同时通过接收到的busytone信号来区分普通碰撞或“聋”节点问题。当数据传输完成时(即，发送节点从接收节点接收DACK信号，并且接收节点发送DACK信号)，发送节点和接收节点都将换能器切换到全向模式并发送busy tone信号。当邻节点接收到busy tone信号时，可以根据信号频率确定源节点ID。如果busy tone信号的源节点与其目的节点是同一个节点，则表示相邻节点以前遇到过“聋”节点问题。节点退出当前退避并向目的节点发送查询信号。如果busy tone信号的源节点与其目的节点不是同一节点，则表示前一次冲突是普通碰撞，节点继续退避。本发送通过这种方法，能够使网络节点对普通碰撞和“聋”节点问题进行区别，进而解决“聋”节点问题。

需要说明的是，本申请的网络内节点通信采用四路握手方式，即DRTS-DCTS-DDATA-DACK、每个信号的第一个字母D代表定向传输；RTS是Request To Send的缩写，是发送问询信号；CTS是Clear To Send的缩写，是允许发送信号；DATA代表数据包；ACK是Acknowledge的缩写，是数据包接收成功确认信号。

参考图2和图5，对于发送节点，当节点没有数据要发送时，发送节点侦听信道。当发送节点有数据要发送时，首先判断信道是否空闲。如果信道繁忙，则该节点选择退避；如果信道空闲，该发送节点则向接收节点发送DRTS信号，并设置定时器。如果发送节点没有收到接收节点发来的DCTS信号，则选择退避；如果发送节点接收到了接收节点发来的DCTS信号，则向接收节点发送DDATA信号，并设置定时器。如果发送节点收到了接收节点发来的DACK信号，则以全向的方式发送busy tone信号；没有收到接收节点发来的DACK信号，则在退避一段时间后再次向接收节点发送DDATA信号。再次发送DDATA信号后，如果发送节点收到了DACK信号，则以全向的方式发送busy tone信号；如果没收到DACK信号，则选择退避，结束本次数据发送过程。

参考图3和图5，对于接收节点，收到发送节点发来的DRTS后，向发送节点发送DCTS信号，并设置定时器。如果没有收到发送节点发送的DDATA，则选择退避；如果收到发送节点发来的DDATA，则向发送节点发送DACK信号。随后以全向模式发送busy tone信号。

参考图4和图5，对于邻节点，如未收到回复信号，则选择退避，并以全向的方式侦听信道。如未收到busy tone信号，则选择退避；如果收到busy tone信号，该节点根据busytone信号的频率可以确定源节点ID。如果源节点是目的节点，则说明之前发送的数据包遇到的是“聋”节点问题，则该邻节点退出退避状态，发送数据包；如果该源节点不是目的节点，则该节点之前遇到的是普通碰撞，该节点继续保持退避状态。

图6为在5km*5km，8km*8km两种覆盖范围下，网络内随机分布40个节点，不同传输速率下网络的网络吞吐量曲线，选用全向的MACA协议与定向的D-MAC协议作为参照组。从图6可以看出，本申请所提介质访问控制方法的吞吐量性能远远优于MACA协议和D-MAC协议。这是因为，与MACA协议相比，本申请所提方法中使用定向天线可以大大减少数据包冲突并增加空间复用。与D-MAC协议相比，DF-MAC协议将水声信道分为数据传输子信道和busytone子信道。通过发送busy tone信号，邻节点可以区分冲突类型，针对普通数据包碰撞和“聋”节点问题采取不同的措施，减少不必要的退避时间，提高网络效率，提高网络吞吐量。

综上所述，相较于现有技术，本发明提出定向水声通信网络“聋”节点问题避免介质访问控制方法。该方法中，节点有两种通信方式：全向和定向。水声信道分为两个子信道，其中一个子信道专门发送忙音信号，使得网络节点能够区分遇到的碰撞种类，具体有以下几点：

a.将定向信息传输模式应用到水声通信网络中，与全向水声通信网络相比，能够提升网络覆盖范围，增强通信隐蔽性。

b.通过双信道划分，能够识别数据包碰撞类型，可解决“聋”节点问题。

c.减少数据包碰撞，可提高水声通信网络吞吐量。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。