CN102572955B

CN102572955B - 水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法

Info

Publication number: CN102572955B
Application number: CN201210053141.0A
Authority: CN
Inventors: 杜秀娟
Original assignee: Qinghai Normal University
Current assignee: Qinghai Normal University; Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Co
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN102572955A

Abstract

本发明公开了一种水声传感器网络（UWSN）的Micro-ANP通信协议模型架构方法。本发明方法包括：Micro-ANP协议栈层次划分、Micro-ANP网络传输层协议组成和分组格式设计、UWSN包负载长度的优化共三部分。Micro-ANP简明的协议层次和独有的网络分组格式，减少了传统分层模型带来的多重地址、首部长度、校验和上层协议类型等封装，解决了传感器节点由于计算、存储、能量等十分有限的资源，其上运行的协议栈不能太复杂的问题；UWSN包负载长度的优化设计在降低能量、端到端延时等资源消耗的同时，提高了网络吞吐量和传输可靠性。基于本发明适用于基于水声传感器网络的水下数据采集、环境监测、灾难预防、资源监控等应用的网络通信，作为一种有效、实用的技术方案，应用前景看好。

Description

水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法

技术领域

本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种UWSN网络通信协议体系模型架构方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN Wireless Sensor Networks）将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们的信息获取和管控能力，在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，成为信息科学的重要研究领域；将传器网络应用到水环境中的新型网络形式-水下传感网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks）的研究与应用也逐渐受到各国部门、工业界、学术界、科研机构等极大关注，水下传感器网络直接细粒度的实时数据为有效解决水下生态监测提供重要保障基础。目前存在多种无线通讯协议，不同生产厂家在硬件平台、操作系统等方面没有统一的标准。ZigBee协议栈在物理层与数据链路层基于IEEE 802.15.4 标准。IEEE 802.15.4是为省电而设计的标准，要求短时间的数据传输操作，不能传输大量数据。IEEE 802.11 无线通讯能够传送很大数据量，但是耗电量很多，不适用于长延时、低带宽、高错误率、有限能量、稀疏拓扑的UWSN网络要求，水声信道的独有特性使UWSN协议设计面临诸多挑战。目前UWSN研究正处于起步阶段，且多集中在路由和MAC层，针对UWSN的协议体系架构较少有人问津。迄今为止的UWSN研究大多基于传统的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层协议模型，基于该五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变、节点资源有限的UWSN环境，网络高效性只有通过跨层设计来实现。为了克服分层设计带来信息不能共享的短板，根据具体应用将从物理层、MAC层、再到路由、传输和应用层，从传输功率控制、信道编码、路由实现到可靠传输等采用跨层优化设计，将某一层的性能变化、运行状况、字段信息等向隶属其它层的协议汇报并使它层协议的决策做出合适调整，从而充分利用UWSN的有限资源，但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。UWSN传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂，UWSN网络亟需研究新型通信协议栈。

发明内容

有鉴于此，本发明提出Micro-ANP（Micro-application/network transmission/physical）协议架构模型，将UWSN网络通信协议分为应用层、网络传输层和物理层，此外还包括一个综合管理平台，进行能量、位置等信息管理与节点控制；通过分析UWSN水声信道特性以及面临的技术挑战，提出了Micro-ANP网络传输层协议设计：使用PCDMA多址访问技术减少端到端的传播延时，使用基于应用优先级、节点剩余能量和级差信息实现差分Geo-routing路由，降低端到端的能量消耗和延时，使用适应性传输实现逐跳传输与端到端传输的可靠保障；针对UWSN网络的以数据为中心和有向通信等特点，设计了只包含10个字段且只有10字节（变长数据字段除外）的分组格式；基于水声传输的Urick路径损耗、CDMA多址接入和前向纠错码技术，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每数据bit能耗、最小化包的能量延时积为目标，采用MATLAB优化工具对UWSN包负载长度进行优化。

为了达到上述目的，本发明提供了水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于，包括下列几个组成部分：

（1）迄今为止的UWSN研究基于传统五层协议模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。基于传统五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变以及节点能源有限的UWSN环境，网络的高效性只有通过跨层设计实现。但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。通过分析UWSN技术挑战、通信特点及传统协议栈的应用局限性，将传统五层模型的传输层、网络层和数据链路层功能合并为一层，提出包括应用层、网络传输层和物理层的Micro-ANP协议分层模型。

（2） Micro-ANP将传统TCP/IP、ZigBee等协议栈的数据链路、网络和传输层合并为网络传输层，将以上层次协议的主要功能集成在网络传输层实现，其中包括：（a）用于降低高延迟、低带宽和高错误率信道数据冲突的可靠多址接入MAC协议- PCDMA（概率性CDMA）；（b）基于优先级、节点级差、位差、能量等优化调度的差分Geo-routing路由协议，满足多种应用的不同服务要求，在延时、传输成功率和能耗之间进行折中；（c）使用适应性传输实现逐跳传输与端到端传输的可靠保障。其中逐跳传输基于FEC编码实现，端到端可靠传输实现则根据网络拓扑变化，在基于多路径的网络编码和基于应用的IDA算法之间动态调整。

（3）针对UWSN网络的特点，设计了Micro-ANP的网络传输层分组格式，包含流向、发送节点级别、发送节点ID、（源/目的）地址分类、（源/目的）节点地址、分组ID、协议编号、负载长度、数据、校验码共10个字段，共10个字节（变长数据字段除外）。

（4）考虑到UWSN网络传输层采用无竞争的PCDMA的MAC协议，包传输过程不存在冲突现象，基于水声传输的Urick路径损耗公式、无竞争CDMA多址接入模型和前向纠错码技术，通过设定极大化包吞吐量、极小化每数据bit能耗、极小化资源消耗三个目标函数，借助MATLAB优化工具求解得到包最佳负载长度。

所述部分（1）Micro-ANP协议分层模型中各层协议与平台功能如下：

（11）应用层协议包括图像、音视频、数据采集处理软件，并对非紧急属性数据执行应用层数据融合（ALDA）；

（12）网络传输负责路由转发、多址访问、可靠传输等系列问题；

（13）物理层提供简单健壮的信号调制、解调和无线收发技术。

（14）综合管理平台包括能量、位置等综合管理，能量管理检测并维护节点自身与邻居节点的剩余能量信息，作为路由转发和调整发送功率决策参数之一，实现节能目标；位置管理管理节点位置信息，为监测数据提供地理位置，并为实现地理路由提供参数依据，此外综合管理还能基于SINK节点的控制信令对节点实施一定程度的管控。

所述部分（3）Micro-ANP的网络传输层分组格式设计如下：

（31）UWSN是以数据为中心的任务型网络，数据融合是UWSN网络的基本特色。由于数据融合，分组数据可来自多个传感器节点，端到端连接在UWSN网络失去原有作用，源和目的端口号字段也失去存在的必要。UWSN网络采用有向通信，上行分组以SINK节点为目的，下行分组源自SINK节点，通常不存在传感器与传感器节点间的直接通信，因此在网络传输层格式中第一个bit为流向字段。

（32）网络传输层格式的第二个字段为节点的级别字段，占8 bits。第三个字段为节点ID，占16bits。级别和ID字段对应发送节点（上一跳节点）的信息，这两个字段逐跳更新。

（33）UWSN应用更关心监测数据的位置所在，有时并不关心这些数据源自哪个节点。因此，节点定位信息在UWSN网络至关重要，节点地址有位置和ID两种标识方式。第四个字段为地址分类，占1bit，用来指明源或目的节点地址采用位置标识还是节点ID；其后的地址字段用来指明上行分组的源节点地址（位置或ID）或下行分组的目的地址（位置或ID），占16bits。

（34）分组ID字段用来区分发送节点的不同分组，占 8bits。该字段由发送节点填充，因此逐跳改变。

（35）协议编号（优先级）字段用来区分应用层协议，占6bits。不同的应用协议具有不同的优先级和QoS。

（36）负载长度字段占8bits，表示分组中应用数据字段的长度；数据字段长度可变。FCS校验码长度为16bits，用来校验分组在传输过程中是否出现差错。

所述部分（4）Micro-ANP网络传输层包最佳负载长度计算公式如下：

（41）水声传输的Urick路径损耗公式（式1）：

（式1）

其中，表示以为单位的传输损耗，该损耗是传输距离、传输频率的函数。表示几何传播路径损耗指数，可用1.5近似。代表多径传输时由折射、衍射和散射引起的异常损耗。是与频率有关的吸收系数。

（42）极大化包吞吐量计算公式（式2）

：（式2）

其中，为节点到SINK点距离，为路径丢失指数，为阴影衰落成分服从中的参数。为分组码中的分组长度，是其中的负载长度，为纠错能力，以bit表示。为包负载长度，为节点可允许的最小信噪比，为端到端的包错误率，为端到端延时，为端到端的能量消耗。

（43）极小化每数据bit能耗计算公式（式3）

：（式3）

（44）极小化源消耗目标函数计算公式（式4）

：（式4）

本发明采用一种简明的水声传感器网络Micro-ANP通信协议模型架构方法。具有下列优点：

将传统五层模型的传输层、网络层和数据链路层功能合并为UWSN的网络传输层，实现了包括应用层、网络传输层、物理层和综合管理平台的三层协议划分，在提高协议效率的同时，便于实现ALDA数据融合技术，既能保持ADDA融合的可靠性与高效性，又能有效避免跨层理解应用数据的困难性问题。

为UWSN网络量身定做的Micro-ANP通信协议模型架构解决了UWSN传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂的难题。

网络传输层协议格式中流向、发送节点级别、地址分类、节点地址等字段是区别于TCP/IP、ZigBee等传统协议封装的特色字段，作为UWSN网络路由转发的重要依据。节点级别概念的提出与使用，实现了控制路由节点数量和广播流量的限定泛洪，减少了不必要的流量，提高了紧缺的能量、带宽效率。

应用优化理论，给出网络传输包负载长度的最优值，在降低能量、延时等网络资源的同时，还有效提高了网络吞吐量。

本发明给出了水声传感器网络的通信协议模型架构，无需经过大范围的变更就可以被简易应用在UWSN网络通信中，效果理想，应用前景看好。

附图说明

图1是本发明Micro-ANP网络传输层结构示意图；

图 2本发明Micro-ANP网络传输层格式；

图3是本发明UWSN网络拓扑；

图4是本发明UWSN有权连通图。

具体实施方式

为使本发明的目的、实现方案和优点更为清晰，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，介绍本发明Micro-ANP网络传输层格式设计：

（1）Micro-ANP模型的网络传输层分组格式：包含流向（1 bit）、发送节点级别（8 bit）、发送节点ID（16 bit）、（源/目的）地址分类（1 bit）、（源/目的）节点地址（16 bit）、分组ID（8 bit）、协议编号（6 bit）、负载长度（8 bit）、数据（长度可变）、校验码（16 bit）共10个字段，共10个字节（变长数据字段除外）。

（2）流向字段：当流向字段取值为0时表示下行传输，即分组源自SINK节点，目的分为广播、组播和单播三种，分别对应于地址分类和节点地址两个字段（0 ，0）、（0 ，节点位置）、（0，节点ID）三种取值；当流向字段取值为1时表示上行传输，分组源自传感器节点，其传输目的为SINK节点。

（3）级别字段：节点级别表示节点距离网络中枢-SINK节点的跳数。UWSN网络采用有向通信，或源自SINK节点的下行传输，或目的为SINK节点的上行传输，通常不存在传感器与传感器节点间的直接通信。因此，SINK节点是UWSN的枢纽，其周围的传感器节点为分组传输担任中继任务，节点越靠近SINK点，担任的中继通信量越大，对网络的支撑作用越大。鉴于此，我们基于距SINK节点的跳数对节点进行分级。级别越小，节点在网络中地位越高。其中，SINK节点级别用0表示，则其一跳邻居级别为1，2跳邻居级别为2，以此类推，节点级别作为UWSN网络路由转发的重要依据。

（4）四个地址相关字段（级别、ID、地址分类、节点地址）：节点级别与节点ID两个字段表示发送节点（分组的上一跳节点，而非源节点）地址信息。其中，节点级别可理解为逻辑地址，节点ID为物理地址，这两个字段值随分组的传输而逐跳改变；地址分类与节点地址两个字段表示上行分组的源或下行分组的目的节点信息，这两个字段值在分组传输过程中保持不变。当地址分类字段值为0时，其后的地址字段用节点位置标识，位置为0，表示广播分组；当地址分类为1时，节点地址用ID标识，表示上行分组的源或下行分组的目的为单一节点。

（5）Micro-ANP网络传输层格式中，流向、发送节点级别、地址分类、节点地址等字段是区别于TCP/IP、ZigBee等传统协议封装的特色字段，作为UWSN网络路由转发的重要依据。

（6）分组ID字段：由于数据融合，Micro-ANP网络分组数据可来自多个传感器节点。因此，这里的分组ID并不是用来标识区分源节点的不同分组，而是用来区分发送节点的不同分组，该字段由发送节点负责填充，并逐跳改变，主要用在接收节点向发送节点发送分组确认使用。

所述部分（3）中的节点级别的获取及主要用途作如下说明：

（31）节点级别通过定位信息的传输而获得：UWSN网络中，节点定位是水下监测必不可少的关键步骤。信标节点（通常为SINK节点）定期广播自身位置信息，将定位分组的级别字段填为0，则一跳邻居节点根据接收分组级别为“0”获知自身级别为1，之后修改分组的级别字段为“1”后执行转发，则当网络达到收敛后，每个节点都将得到自己的级别信息。相邻级别的邻居节点形成父子关系，最终形成图2所示的UWSN 网络拓扑结构。在图2的拓扑结构中，一个父节点可有多个子节点，而每个子节点也可有多个父节点！（这一点可用来对上行流量实现多径路由）。因此，UWSN网络并不是树形拓扑。

如果用加权连通图表示图2拓扑结构（其中，为节点集，为链路集），则每个节点包含两个权重因子，即节点级别和剩余能量，如图3所示，这里的权重因子（）可用作差分Geo-routing的主要决策因子。

（32）节点级别在上行分组路由转发过程的作用：由于Micro-ANP分组不含下一跳节点信息，UWSN网络拓扑动态变化，当节点分布较为密集时，为了避免冲突和减少能耗，需要控制路由节点的数量，镇压冗余包。对于上行分组，中间节点首先对接收分组进行转发资格确定，提取上一跳节点的级别信息（发送节点字段），记为，并与自身节点级别进行对比。当时，该节点具备下一跳资格，则缓存分组，否则丢弃分组，不做任何处理。

(33) 节点级别对下行广播传输的限定：对于下行分组，当地址分类字段值为0，其后的节点地址字段也为0时，则表示广播分组，执行泛洪传输。当地址分类字段值为1时，表示分组目的为位置未知的单一节点，虽为单播分组，但由于缺乏位置信息，因此也采用泛洪传输。

在传统泛洪机制中，节点对收到的每一个非重复的广播分组总是（在所有接口）执行转发。但在UWSN环境，由于通信的有向性，下行数据总是源自SINK中心节点，沿着（节点级别）逐渐增大的方向传输。因此，为了避免冗余流量带来的额外能量开销，我们给UWSN网络的泛洪附加一定的限制条件-限定泛洪。即当节点收到需要泛洪传输的分组时，首先判断是否，是则立即修改分组中节点级别字段为，并转发该分组。否则丢弃该分组，不做任何处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法，将水声传感器网络UWSN协议分为应用层、网络传输层、物理层三个层次和一个综合管理平台；应用层协议负责图像、音视频、数据采集处理、并对非紧急属性数据执行应用层数据融合ALDA，网络传输层负责路由转发、多址访问、可靠传输问题，物理层提供简单健壮的水声调制、解调和水声收发技术，综合管理平台负责节点行为控制和实现能量、位置信息的综合管理；对UWSN包负载长度的优化；对网络传输层协议的组成、UWSN包格式的设计；

其特征在于：所述的UWSN包负载长度的优化方案中，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每数据bit能耗、最小化包的能量延时积为目标，基于水声传输的Urick路径损耗、码分多址接入CDMA技术和前向纠错码技术，对UWSN包负载长度进行优化。

2.如权利要求1所述的Micro-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于：所述的Micro-ANP的网络传输层协议组成包括：（1）用于降低延迟和冲突、减少重传的基于离散概率和码分多址的MAC协议；（2）基于优先级、节点级差、位差、能量优化调度的差分地理路由协议；（3）基于FEC、多路径算法和网络编码的适应性传输协议。

3.如权利要求1所述的Micro-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于：所述的Micro-ANP的网络传输层分组格式共10个字节，变长的数据单元除外，其中包括：1 bit的流向字段、8 bits的发送节点级别、16 bits的发送节点ID、1 bit的地址分类、16 bits的节点地址、8 bits的分组ID、6 bits的协议编号、8 bits的负载长度、变长数据和16 bits的校验码字段。