CN104539387A

CN104539387A - 一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法

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Publication number: CN104539387A
Application number: CN201410702223.2A
Authority: CN
Inventors: 杜秀娟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104539387B

Abstract

本发明公开了一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，基于码率无关的数字喷泉码技术，采用优化的度分布和递归编码思想，设计了RLT（recursive LT）编码方案，实现快速、高效的编解码，减小了包冲突和端到端延时，提高了网络吞吐量；通过收集接收节点的反馈信息，精确评估水声信道的包错误概率，进一步计算下次传输的编码包数，降低了冗余包的传输开销；将传统TCP/IP协议栈位于第四层可靠传输机制与位于第二层的介质访问控制机制进行有机的融合，基于RLT编码，实现了水下传感器网络的逐块、逐跳的可靠传输，减少了由于水声Modem的单工通信导致的发送-接收冲突、多发送-单接收冲突以及数据-ACK冲突；该方法作为一种有效、实用的技术方案，应用前景看好。

Description

一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法

技术领域

本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种水下传感器网络可靠传输机制。

背景技术

水下传感器网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks）在环境监测、资源勘探、灾害预防等方面具有广泛的应用前景，已逐步成为世界各国政府、国防、工业及学术界的关注及研究热点。UWSN采用声波通信，水声信道误码率高，通常在10^-3-10^-7范围之间；水声通信传播延时长，其延时接近秒级；带宽较窄，通常在几十kbps的量级；与传统Modem相比，声学Modem能耗更大，而水下节点通常采用电池供电，电池的充电与替换困难；水下节点部署稀疏，节点随水流或其他水下活动的移动而移动，能量耗尽或硬件故障容易导致节点失效，因此水下传感器网络拓扑动态变化。以上特性导致陆上通信协议在UWSN下不适用或具有极低的工作效率，传统的可靠传输机制在UWSN中的应用局限主要体现在以下方面：

1）水声信道的高误码率导致逐跳传输时较大的包错误率，使得端到端的包成功传输概率接近零。因此，传统的、端到端的可靠传输机制在UWSN网络将会导致过多的重传，从而带来过多的能耗，加剧低带宽的水声网络负载和包冲突，降低信道利用率。

2）水声信号的低传播速度导致较大的端到端延迟，这给传统的端到端可靠传输机制的实时控制带来较大的问题。

3）水下传感器网络长延时、低比特率特点导致传统的简单停等ARQ机制在UWSN的信道利用率极低；水声Modem采用半双工通信，限制了高效的传统流水线ARQ协议的使用。水声信道的高误码率容易导致传统确认机制中ACK的丢失，不仅浪费了传输ACK的带宽资源，而且那些成功接收的数据包也会被发送节点重传，带来更大的能耗。

4）传统的前向纠错重传技术（FEC）采用固定码率的纠删码，在传输之前需要预先确定冗余包的数量。FEC由个原始数据包编码后产生个编码包，, 表示冗余包数量。为了重构个原始数据包，接收节点需要接收一定数量（大于）的编码包。是一个常数，定义为扩展因子，的值取决于信道的删除概率。由于水声信道的时变性，很难预先确定这个信道删除概率常数，过高的估计将增加能耗及带宽开销，低估的删除概率将导致解码失败。

REED and G. Solomon提出了基于纠删码的Reed-Solomon 编码，对于较小的和效果理想。然而，其编译码过程要求域运算，计算开销较大，不适用于计算资源受限的水下传感器网络节点。Tornado codes编码仅涉及异或运算，编译码过程比 Reed-Solomon 码快得多，但Tornado codes采用多级二部图编解码，带来较大的计算和通信开销，同样不适用于低比特率、高能耗的UWSN网络。SDRT采用SVT编码提高编译码效率，但发送节点以非常缓慢的速率发送窗口外的数据包，降低了信道利用率。莫海宁等人提出了基于GF（256）随机线性编码的多跳协调协议来保证水下传感器网络的可靠性。然而实际上并不能通过随机产生的个编码向量成功恢复个原始包，且其译码复杂度比其他稀疏编码大。此外，多跳协调机制需要时间的精确同步，且仅局限于只有一对节点通信的简单线形网络拓扑。

数字喷泉码是基于二部图的高性能稀疏无码率编码，传输的冗余量不是固定常数，且能够随着错误恢复算法的执行而动态确定，因此对于任何删除信道的性能都是接近最优的，是一种轻量级的编解码实现。Luby提出的LT编码能够从接收的多于原始包数量的编码包中以高概率恢复重构原始数据包。然而，LT码是针对具有大量的数据包的逐块传输设计的，不适用于由于节点移动造成节点之间传输时间十分有限的水下传感器网络，且LT码的度分布中存在较多的大度节点，增加了编译码开销和通信开销。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，基于码率无关的数字喷泉码技术，采用优化设计的度分布和递归编码思想，提出RLT（recursive LT）编码方案。基于RLT编码，并融合传统ARQ实现UWSN的逐块、逐跳地可靠传输。本发明的可靠传输控制方法适用于水下复杂动态的网络环境，基于递归LT编码的可靠传输控制在实现UWSN传输可靠性的同时，减小了包冲突和端到端的延时，提高了网络吞吐量和信道利用率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：包括下列几个组成部分：

1）针对水下传感器网络通信特点，对数字喷泉码度分布进行优化设计；在此基础上，采用递归LT编码，实现快速、高效的编解码和水下传感器网络逐块、逐跳的可靠传输。

11）数字喷泉码的度分布采用以下的优化设计：

其中，表示每个数据块包括个原始数据包，编码器对个原始数据包进行编码，是编码包的度，；表示度为的分布，表示期望接收到的度为1的编码包个数，实际通常设置为，参数表示期望接收到的冗余编码包数，，冗余包增加了译码成功的概率。

12）递归LT编码采用以下编码过程：

考虑每个数据分块包含个原始数据包，个包大小相同，每个包包含个bits。编码器能够由个原始数据包编码生成任意数量的编码包。编码包之间互相独立。用表示一个二级二部图，为边集，为节点集，，表示原始输入包集，表示编码包集，中节点与中节点的连线构成。设水声信道的包错误率为，每个数据块含个原始数据包，编码器根据度分布生成编码包序列，是带有标记的编码包，标记参与异或操作的原始包的IDs。这里

121）对集合中个数据包执行异或操作，生成一个度为的编码包，复制产生个拷贝。

122）从原始数据包集合，随机选择个不同的数据包，构成集合，生成个度为1的编码包。

123）令，从集合中，随机选择个原始数据包，分别与集合中的数据包进行异或操作，生成度为2的编码包。

124）令，如果不为空，随机从集合选择输入包，否则从集合中选择，分别与来自集合、的数据包进行异或运算产生个度为3的数据包。

125）令，如果不为空，随机从集合中选择个数据包，否则从集合中选择，分别与集合中的数据包进行异或运算产生个度为4的编码包。

126）原始包和编码包的关系见附图图1所示，在图1中，由6个原始数据包编码后产生8个编码包，编码包的度为3.

13）递归LT码采用以下解码过程：

131）接收节点的解码器查找度为1的编码包，若不存在，则停止译码，若找到度为1的，继续执行下一步。

132）令，即把度为1的编码包付给。

133）查找每一个和连接的编码包，记做，令，这里表示异或运算。

134）移除所有连接到的边。

135）重复步骤131）。

2）通过收集接收节点的反馈信息，精确评估水声信道的包错误概率，进一步计算下次传输的编码包数，降低冗余包的传输开销。

21）首先，发送节点发送个编码包，，之后转换到接收状态，等待接收反馈信息。参数将增大接收节点成功译码的概率，因子用于抵消信道误码带来的包丢失或传输错误。

22）接收节点的反馈信息包括接收到的帧的数量以及不能重构的原始包数，则包错误率为，下次传输的编码包数为，在11）度的优化设计中，用代替进行递归编码，如此反复，直到译码成功。

本发明是一种基于数字喷泉码，并有机融合传统ARQ机制的水下传感器网络逐块、逐跳的可靠传输方法。具有下列优点：

将传统TCP/IP协议栈位于第四层可靠传输机制与位于第二层的介质访问控制机制进行有机的融合，实现了水下传感器网络的逐块、逐跳的可靠传输，减少了由于水声Modem的单工通信导致的发送-接收冲突、多发送-单接收冲突以及数据-ACK冲突；对基于数字喷泉码的度分布进行了优化设计，降低了数字喷泉码的编解码复杂度；采用优化设计的度分布和递归编码思想，提出RLT编码方案,提高了成功解码的概率，减少了由于过多发送冗余包产生的计算、能耗和带宽开销。大量的仿真实验证明，水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法在实现UWSN传输可靠性的同时，减小了包冲突和端到端的延时，提高了网络吞吐量和信道利用率。

本发明的可靠传输控制方法适用于长延时、低比特率、高误码率、拓扑动态变化的水下网络环境。本发明效果理想，应用前景看好。

附图说明

附图是递归LT码（RLT）的编码示意图，其中表示原始数据包，表示编码包。

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，下面对本发明作进一步地详细描述。

编码方案对系统性能产生很大的影响，LT编码针对包含大量数据包的数据块传输而设计，不适用于传输时间受限的节点对间的通信，且LT码的度分布中存在较多的大度节点，增加了编译码开销和通信开销；理想的孤波分布在用于恢复原始数据块所需的编码包数量方面显示出理想的性能。但正如大多数理想的事情，孤波分布极其脆弱，很难在实际网络环境中应用。

由于节点的移动性，水下传感器网络相邻节点之间的传输时间极其有限，导致UWSN网络中数字喷泉码的每一个数据分块只能包含少量数据包。为了成功译码，接收节点收到的编码包的度分布应该满足以下特性：

1）接收到的编码包应该涉及每一个原始数据包。

2）编、译码过程不能涉及太多的异或运算。

3）接收到的编码包至少有一个度为1。

考虑到水声信道的高误码率，的数量级通常在10^-3-10^-7之间，水下传感器网络的包错误率如下式：

其中，代表包的大小，基于MICRO ANP协议架构的最优包的大小通常为一百多个字节.因此，水下传感器网络的包错误率的大小是不容忽视的。给定个原始数据包，为了满足以上度分布特性，我们采用以下度分布：

表示期望接收到的度为1的数据包个数，参数表示接收到的冗余包数，冗余包增加了译码成功的概率。从我们优化的度分布式中，容易得到递归LT码的译码复杂度约为，与数据块中原始数据包的数量呈线性关系。

当接收节点接收到个数据包时，译码成功的概率如下式：

定义函数，当发送个数据包，译码成功的概率为：

当解决了数字喷泉码的度分布和递归LT码的编译码问题后，接下来需要基于递归LT编码实现节点间实时通信的可靠传输控制机制了。水声Modem通常工作在半双工模式，接收和发送不能同时执行，一个可用的传输控制机制应该能够避免给处于发送状态的节点传输包而导致的发送-接收干扰。迄今为止的多数访问控制协议采用RTS/CTS握手机制动态协调节点传输。水下传感器网络产生数据的速率为 1-5bps，优化的包长度为100字节，而RTS/CTS包长为几十个字节。因此，与数据包相比，RTS/CTS帧长并不是很短，采用RTS/CTS握手机制带来的收益并不显著。相反，考虑到水声信道窄带宽、长延时等特点，RTS/CTS握手降低了信道利用率、网络吞吐量，延长了端到端延迟。因此，基于递归LT编码的可靠传输控制采用无RTS/CTS握手的传输机制。

源节点首先将原始数据包分成成大小的块，即每数据块包含个原始数据包。源节点对个原始包进行编码。在水下传感器网络，发送一个包含50个优化包的数据块需要的时间约为60秒，能够满足两个节点间受限的传输时间。通过适当地设定块大小控制传输时间，从而使接收节点能够接收足够的编码包以重构原始数据包，实现逐块、逐跳地可靠传输。

在基于递归LT码的可靠传输控制机制，那些正在发送包的节点被认为处于发送状态。为了避免数据-ACK的同步冲突，减少过度冗余，在传输效率与公平性之间进行折衷，我们定义两个传输约束条件：1）一次传输阶段中允许发送的最大数据包数量为。2）同一个节点两个传输阶段的最小时间间隔是，等待期满的节点被认为处在传输避免阶段。考虑到声学Modem发送与接收状态的转换延时较大，通常为秒级。这里可设置代替。

在一个数据块的第一个传输阶段，发送节点发送个编码包。为了便于接收节点以高概率恢复原始个数据包，这里设置。之后发送节点切换到接收状态，等待接收接收节点的反馈信息。参数是为了将提高接收节点成功译码的概率，因子用于补偿信道错误。

来自接收节点的反馈信息包括接收到的帧的数量以及不能重构的原始包数。发送节点动态确定包错误率，。发送节点在该数据块的第二个传输阶段将度分布式中的替换为，并发送个编码包，之后切换状态等待反馈信息。如此反复，直到译码成功为止。

无RTS/CTS握手的传输控制：网络初始化后，每个节点维护着一个动态邻居表，如表1所示，其中包括一个状态字段记录邻居节点的实时状态。状态“0”表示该邻居节点处于发送状态，状态“1”表示接收状态，“2”指未知状态， “3”指发送避免状态。帧头序列号用于标记该桢在帧链中的位置，原始数据包ID字段表示参与异或的原始包ID，立即确认字段用于通知接收节点是否立即返回反馈信息，“1”表示回复，“0”表示暂不回复。

当节点需要发送包时，首先搜索邻居表，查找接收节点的状态。如果该状态是“0”或“1”，则将推迟发送直到邻居表中接收节点的状态字段大于1，否则发送节点转换到发送状态启动传输阶段并开始发送。邻居节点状态信息的收集及传输控制机制通过以下伪代码表示。

表1 相邻节点的状态表

发送节点的传输控制的伪码实现：

while (node has packets to send) do

{

The source node groups input packets into blocks of size , then encodes the packets using RLT codes to generate a packet-chain including encoded packets, which are encapsulated into frames chain with sequence number from to “1” , i.e., the sequence number of the first frame is , and the last is numbered as“1”.

For each frame chain

{

set “Immediate ACK” field of the first and last frame to “1” ,others to “0”;

a. If (the state of the receiver is equal to “0” or “1”)

Then put off delivery till the state greater than one

Else (the state of the receiver is great than “1”)

send the first frame;

wait for ACK;

if (receive ACK)

Then send the other frames in the chain and wait for ACK for the chain;

……

Else goto a.

Endif

}

Enddo

收集邻居节点的状态信息的伪码实现：

While (overhearing a frame) do

{

If (it is a frame other than ACK and the sequence number is great than one)

Then the state of the sending node is set to “0”

Else if (it is a frame other than ACK and the sequence number is “1”)

Then the state of the sending node is set to “2” which indicates the unknown state.

Else if ((it is an ACK for data frame with sequence number of “1” )

Else if ((it is an ACK for data frame with sequence number great than one )

Then the state of the sending node is set to “1” which indicates the neighbor node is receiving frame from other nodes.

Endif

}

Enddo

Claims

1.一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：所述的逐跳可靠传输控制方法包括如下步骤：

1）针对水下传感器网络通信特点，对编码包的度分布进行优化设计；在此基础上，采用递归LT编码，实现快速、高效的编解码，对数字喷泉码和ARQ机制进行有机融合，实现水下传感器网络逐块、逐跳的可靠传输；

2.如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：所述的编码包的度分布采用以下设计：

其中，表示每个数据块包括个原始数据包，编码器对个原始数据包进行编码，是编码包的度，；表示度为的分布，表示期望接收到的度为1的编码包个数，实际通常设置为，参数表示期望接收到的冗余编码包数，,冗余包增加了译码成功的概率。

3.如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于所述的递归LT编码，采用以下递归编码过程：

用表示一个二级二部图，为边集，为节点集， , 表示原始输入包集，表示编码包集，中节点与中节点的连线构成；设水声信道的包错误率为，每个数据块含个原始数据包，编码器根据度分布生成编码包序列，其中，；

1）对集合中个数据包执行异或操作，生成一个度为的编码包，复制产生个拷贝；

2）从原始数据包集合，随机选择个不同的数据包，构成集合，生成个度为1的编码包；

3）令，从集合中，随机选择个原始数据包，分别与集合中的数据包进行异或操作，生成个度为2的编码包；

4）令，如果不为空，随机从集合选择个输入包，否则从集合中选择，分别与来自集合、的数据包进行异或运算产生个度为3的数据包；

5）令，如果不为空，随机从集合中选择个数据包，否则从集合中选择，分别与集合中的数据包进行异或运算产生个度为4的编码包。

4.如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：传输的编码包数，

1）首先，发送节点发送个编码包，，之后转换到接收状态，等待接收反馈信息；参数将增大接收节点成功译码的概率，因子用于抵消信道误码带来的包丢失或传输错误；

2）接收节点的反馈信息包括接收到的帧的数量以及不能重构的原始包数，则包错误率为，下次传输的编码包数为，度分布式中，用代替进行递归编码，如此反复，直到译码成功。