CN105007138B - 一种水下传感器网络的机会数据回传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下传感器网络的机会数据回传方法。该方法包括步骤：在感兴趣的海域中部署多个水下传感器节点用于监测和收集数据，同时在相应的海域表面部署多个水面浮标节点，海洋表面或海岸布置了基站或者是通过海面上的船只来收集传感器节点观察和收集到的数据，并进行分析处理。水下传感器节点（信源）将其收集到的数据经过无速率编码后广播给水面的浮标节点。成功接收到信源编码包的水面浮标节点将信宿未成功接收的编码包通过无线链路发送给信宿。信宿接收到足够多的编码包成功解码后将返回确认信息给水面浮标节点和信源，开始进行下一轮的传输。本发明可以稳定且高效率的提高水声通信系统的可靠性，减少传输的延迟，提高吞吐量。

Description

一种水下传感器网络的机会数据回传方法

技术领域

本发明涉及水下传感器网络的机会路由和可靠传输等技术领域，特别涉及一中水下传感器网络的机会数据回传方法。

背景技术

水下传感器网络有很多潜在的应用，如海洋勘探、海洋数据收集、生态学应用(如污染、水质量和生物监测)、公共安全(如地震和海啸灾难预防、监控)，军事水下监测、工业(海上勘探)等。但是，在水下传感器网络成为商用或广泛使用之前，水下传感器节点的网络必须被建立。

水下传感器网络的通信典型的基于声无线链路。无线电信号由于在水中受到很大的衰减因此不适合用于水下通信。光波在水中经历的散射现象很严重，因此也不适合在水中传播。独特的声通信信道的特点呈现出诸多挑战：(1)高误比特率和由于阴影区引起的连接性的暂时丢失；(2)有限的带宽容量；(3)高功率损耗，特别是用于传输的损耗；(4)大区域中通信信号的扩展，例如，与wifi中信号一般只传播几百米的情况不同，声通信的传播距离可能达到几千米。

所有的这些问题都可以通过使用机会路由得到缓解。不采用传统的路由模式，该模式中数据包是转发给一个预先选择的节点，提出了适合水声无线链路的不同的路由模式。机会路由最近被提出作为一种利用无线媒介侦听的方式通过为每个目的地选择多个下一跳。在机会路由中，每个数据包广播给一个前向转发集合，该集合由几个邻居组成，并且当该集合中没有任何邻居接收到该数据包的时候，该数据包必须被重传。在这种情况下，当到某个给定邻居的链路损坏或表现欠佳时，另一个相近的邻居可能接受到该数据包并将其向前转发出去。在传统的路由模式中，只有一个邻居作为每个目的地的下一跳路由，在这种情况下，如果到这个邻居的链路表现不好，那么即使其他邻居侦听到了这个包，这个包也会丢失。

机会路由允许数据包在没有被某个邻居收到的情况下被转发，这与传统的路由不同，传统的路由中如果某个预选择的邻居没有接收到这个包，那么这个包必须被重传。因此，机会路由减少了可能重传的数目，同样也减少了在这些重传中消耗的能量。此外，通过减少需要重传的数目，它同样帮助减少了无线媒介中可能碰撞的次数，因此，带宽的利用率得到了提升。水声信道比无线信呈现的更高的误比特率将导致数据包更多的错误，当有一个或多个邻居转发数据包时，这种情况可以得到改善，因为多个邻居节点中只需要有一个能正确接收到该数据包即可。由于阴影区域的影响，连接性的短暂性丢失是可能发生的，正如我们前面所说的，使用多于一个节点作为转发节点会减少数据包出现错误的概率，水下声信号通常要传播几千米，这说明很多的节点可能侦听到整个传输过程，这样的事实表明水下传感器网络很适合使用机会路由。

如上所述，由于恶劣的水声信道条件，在水声信道中进行可靠的数据传输不可避免地会以很高的概率发生传输的差错，因此可以考虑通过差错控制方案来提升水声信道的通信质量。前向纠错(FEC，Forward error correction)和自动重传请求(ARQ，Automaticrepeated request)是两种基本的方法用于纠正传输数据中的错误比特。ARQ方案需要来自接收机的反馈信息，这减少了有损声信道的吞吐量的效率。特别地，由于水中声波的传播速度很低，因此传播时延很长，这使得基于反馈的差错控制方案是不可行的。FEC方案是通过对原始数据进行编码增加冗余信息来检查和纠正传输引起的错误比特，不需要任何反馈。在快速时变的水声信道中，考虑到受限的带宽和长的传播延迟，FEC方案更适合用于水声信道进行差错控制。物理层基于比特位的FEC在恶劣的水声通信中的表现依然差强任意，还不能满足可靠通信的要求，因此需要能够实现更高可靠性的通信方案。基于数据包的FEC是一种可能的解决方案，而无速率编码正是实现基于数据包的FEC方案。此外，无速率编码的无码率特性非常适合用于快速时变且条件恶劣的水下通信系统，无速率编码理论上可以编码出无穷多个编码包，发送端可以一直发送编码包直到接收端接收到足够多的信息成功解码后发回确认信息给发送端，不需要对信道特征进行估计，能够适应快速变化的水声信道。而且性能好的无速率编码(如Raptor码)具有线性的编解码的复杂度，这些特征也是非常适合用于水声通信的，所有的这些都使得无速率编码在水声信道的应用越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种水下传感器网络的机会数据回传方法，在信源到信宿的通信过程中，借鉴机会路由的思想我们通过机会转发方案来减少丢包率，减少重传次数，从而减少能量的消耗，提高带宽利用率等，同时在信源端采用无速率编码作为前向纠错编码，来提高水声信道前向传输的可靠性，并减少反馈，进一步提高带宽利用率。目前，机会转发方案与无速率编码在水声通信中的结合在之前的水声通信工作中是没有被提到过的，两者的结合使用不仅能够实现各自的优点，而且能够互相促进来进一步提高水声通信系统的性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种水下传感器网络的数据回传系统与方法，包括以下步骤：

(1)在感兴趣的海域中部署多个水下传感器节点用于监测和收集数据，同时在相应的海域表面部署多个水面浮标作为中间节点，在海洋表面或者海岸部署基站或船只作为信宿来收集信源的信息。

(2)水下传感器节点(信源)将其收集到的原始数据分块，然后对数据块使用无速率编码生成多个编码包，通过水声链路广播给表面浮标节点。

(3)所有成功接收到信源编码包的水面浮标节点将信宿未成功接收的编码包通过无线链路发送给信宿。

(4)信宿成功接收到某个浮标节点的编码包后，广播确认信息给水面浮标节点。

(5)当接收到的编码包的数目大于等于原始数据块数据包的数目时，信宿开始解码。若解码成功，则向信源和浮标节点反馈成功接收的信息，进行下一个数据块的传输；若解码不成功，则继续收集水面浮标节点转发的编码包。

(6)信源和浮标节点接收到信宿解码成功的确认信息后停止发送编码包；信源继续下一个数据块的发送。

优选的，所述步骤(1)中的水面浮标节点应具有两个功能模块：水声通信功能模块和无线通信功能模块。水声通信功能模块提供水面浮标节点与水下传感器节点之间进行水声通信的功能，无线通信功能模块提供水面浮标节点与信宿之间进行无线通信的功能。

优选的，所述步骤(2)中的无速率编码可用随机线性码，LT码，Raptor码来实现。

更进一步的，所述步骤(2)中，每个编码包的头部中应包含原始数据块序号和大小，编码包的序号，以及用于生成改编码包的原始数据包的序号。

优选的，所述步骤(4)中，信宿反馈给浮标节点的确认信息中包含成功接收的编码数据包序号及其所在的数据块序号。

更进一步的，所述步骤(4)中，所有浮标节点收到信宿广播的确认信号后先检查自己缓存中是否有信宿已经成功接收的编码包，如果有，就将其从缓存中删除，并继续回传缓存中信宿没有成功接收的其他编码包。

优选的，所述步骤(5)中，信宿成功解码数据块的确认信息通过浮标节点或者信宿的水声信道反馈给信源。若后续继续收到该数据块的编码包，则继续反馈解码成功信息。

优选的，所述步骤(2)至(6)所描述的水下传感器节点(信源)将其收集到的数据发送给海洋表面或海岸的基站(信宿)的整个通信过程采用机会转发方案来提高通信质量，通过布置多个水面浮标节点，并且所有浮标节点都存在于信源的前向转发集合中，可以接收和转发信源发送的任何数据包，信源发送的每个数据包，只要被前向转发集合中任何一个浮标节点成功接收，则此数据包可以经过该浮标节点通过无线链路转发给信宿从而被信宿成功接收。相比传统的路由机制，机会路由机制的丢包率大大减少，重传次数和能量消耗也大大减少。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)信宿节点的机会接收。本发明采用无速率编码作为信源的前向纠错编码技术，该技术能够利用水声信道的有损特征实现机会通信。无速率编码的无码率属性能够产生无限数量的编码包，利用稍微大于原始数据段包含的数据包数目的机会包的接收就能够解码整个数据段。在有损信道中包丢失的概率在另一方面可以等同于机会性的成功接收。从这个角度看，只要传输足够多数目的编码包，我们使用无速率编码来进行机会性地接收其中足够多数量的任意的编码包组合，即使有丢包的可能，将最终导致接收端成功解码，而无需重传指定的某些数据包。基于无速率编码的前向纠错方案和基于重传的ARQ方案与固定码率的传统前向纠错方案相比，接收端收成功解码数据包需要更少传输的时间，更少的反馈信令，因而可以提高系统的性能。此外性能好的无速率编码(如Raptora码)具有线性的编解码的复杂度，这使得无速率编码很适合用于很难给传感器节点进行更换和充电、能量极其受限的水下环境。

(2)水面浮标节点的机会转发。本发明信源将收集到的数据发送到信宿的过程借鉴了机会路由的思路，通过机会接收来提高通信的质量。机会路由是通过为信源发出的每个数据包提供多于一个中间节点进行接收，相比传统的只选择一个节点接收的路由方式相比，机会路由使得丢包率大大减少，需要的重传次数也大大减少，因为多个中间节点同时没有收到某个数据包的概率相比一个节点没有收到该数据包的概率降低了很多，因此可靠性和带宽利用率都得到大大的提升。本发明通过布置水面浮标节点，且全部在信源的前向转发集合中。因此，信源发出的每个数据包只要被一个浮标节点接收到，就能通过该浮标节点成功传输给信宿。这使得信宿成功接收某个数据包的机会增加了很多，提高了通信的可靠性。另外，水面浮标节点采用水声通信与无线通信相结合的方法，使得所有浮标节点均可处在信源的前向转发集合中，避免了选择前向转发集合与协调转发顺序所带来的信令开销问题。

(3)无速率编码的前向纠错与机会转发方案的结合能够进一步的提升水声通信系统的性能。考虑以下三种情况：(i)只采用机会转发方案，信源没有采用任何的前向纠错方案。这种情况下，信源发送的原始数据包被广播到水面浮标节点，这时尽管水面的每个浮标节点都可以接受原始数据包并将其转发给信宿，但是由于水声信道条件恶劣，丢包率很高，信源发送的原始数据包总有小部分未被任何一个浮标节点接收，这时就需要信宿发送反馈信息给发送端通知其重传未成功接收的数据包，且若反馈的信息丢失，这将导致全部数据的重传。而且，信宿需要设定等待时间，等待所有浮标节点转发完其接收到的数据，才能通知信源节点是否需要重传以及重传哪些数据包。并不是所有的浮标节点均能接收到信源的数据，这些等待时间是对宝贵通信带宽的浪费。(ii)采用机会转发方案，同时在信源端进行固定码率的前向纠错，则相比不进行前向纠错编码的情况，传输的可靠性会有提升，因为固定码率的纠错码具有一定的纠错和恢复的性能。但由于其码率是固定的而水声信道的条件是快速时变的，若码率设置过高，可能导致纠错能力很低，接收端不能成功解码，需要反馈和重传，反馈的信息仍然有可能丢失，若码率设置过低，纠错能力很好，但是当信道条件较好时将浪费掉很多的资源，这些资源在水声信道中是极其宝贵的。因此固定码率的传统纠错码用于水声信道时性能不佳。(iii)采用机会接收方案，同时在信源端采用无速率编码进行前向纠错。由于无速率编码的无码率特性，发送端发送的编码包的数目是不定的，可以根据水声信道当时的条件来决定，信道条件差的时候，信源多发送一些编码包，信道条件好的时候可以少发送一些编码包，即使某些编码包没有被任何一个浮标节点接收到也没关系，水面浮标节点只需要接收到一定数量的编码包即可让信宿成功解码。采用无速率编码的情况下，若反馈信息丢失，信宿将继续收到编码包，这时信宿可以继续再次发送反馈信息，直到发送端收到反馈信息。对比以上三种情况，在采用机会转发方案情况下，发送端采用无速率码作为前向纠错编码能够进一步提高机会转发方案传输的可靠性，减少反馈次数，减少重传的次数，降低传输的延迟，使系统性能得到进一步提升。

附图说明

图1是实例中水下传感器网络的机会数据回传方法的系统模型。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例的系统模型如图1所示，在感兴趣的海底区域A中部署多个水下传感器节点S₁,S₂,…S_n用于监测和收集A区域中感兴趣的数据信息，同时在A相应的海域表面区域B部署多个水面浮标节点B₁,B₂,…B_m，海岸处布置了基站R用于收集传感器节点S₁,S₂,…S_n观察和收集到的数据，并对其进行分析处理。

信源S₁,S₂,…S_n将其收集到的原始数据分成一定长度(L比特)的数据包，然后将K个数据包组成一个数据块，所有的信源节点S₁,S₂,…S_n通过随机接入的方式占用水声信道，然后将一个数据块中的数据包进行无速率编码(这里考虑用Raptor码)后将编码包广播给水面B域中的所有浮标节点，编码包的头部中包含原始数据块序号(Raptor解码需要用到)和大小K，编码包的序号，以及用于生成该编码包的原始数据包的序号。

假设信源S_i(1≤i≤n)最先竞争到无线水声信道，则S_i开始一直发送其第一个数据块的编码包直到接收到来自信宿的成功接收该数据块的确认信号后，停止发送该数据块的编码包，并随机等待一段时间后与其它信源节点继续竞争声信道发送下一个数据块。

信源S₁,S₂,…S_n将数据发送到信宿R的过程中采用机会接收方案，将水面B域中的所有浮标节点作为信源的前向转发集合，也就是B域中的所有浮标节点都能接收信源广播的数据。成功接收到信源广播的编码包的水面浮标节点先将编码包存放到自己的缓存中，然后通过竞争的方式接入与信宿之间的无线信道，若某个浮标节点B_j(1≤j≤m)最先竞争到无线信道，则B_j就将到目前为止收集到的编码包发给信宿，信宿收完B_j在竞争到信道时接收到的所有编码包后，广播一个确认信号给水面浮标节点，信宿广播的这个确认信号中包含了信源已经成功接收的编码包和数据块的序号。所有浮标节点(包括刚刚竞争到无线信道的浮标节点B_j)收到信宿发回的确认信号后先检查自己缓存中是否有信宿已经成功接收的编码包，如果有，就将其从缓存中删除，然后再次竞争无线信道，继续回传信宿没有接收到的其他编码包。

信宿R在接收到大于等于K个编码包的时候就启动解码过程，若解码不成功，则返回确认信号给各浮标节点，继续收集各浮标节点接收到编码包，确认信号中包含信宿已成功接收的编码包的序号。若解码成功，则信宿广播成功接收的确认信号给水面浮标节点，阻止水面浮标节点继续竞争无线信道发送编码包。水面浮标节点在接收到信宿广播的成功解码的确认信号后通过水声链路将该信号转发给信源，信源成功接收到某个浮标节点发回的成功解码的确认信号后立即停止发送该数据块的编码包，随机等待一段时间后开始与其它信源继续竞争水声无线信道继续发送下一个数据块直到发送完所有数据。

Claims (4)

1.一种水下传感器网络的机会数据回传方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在感兴趣的海域中部署多个水下传感器节点用于监测和收集数据，同时在相应的海域表面部署多个水面浮标作为中间节点，在海洋表面或者海岸部署基站或船只作为信宿来收集信源的信息；水面浮标节点具有两个功能模块：水声通信功能模块和无线通信功能模块；水声通信功能模块提供水面浮标节点与水下传感器节点之间进行水声通信的功能，无线通信功能模块提供水面浮标节点与信宿之间进行无线通信的功能；

（2）水下传感器节点即信源将收集到的原始数据分块，然后对数据块使用无速率编码生成多个编码包，通过水声链路广播给水面浮标节点；

（3）所有成功接收到信源编码包的水面浮标节点将信宿未成功接收的编码包通过无线链路发送给信宿；

（4）信宿成功接收到任一个浮标节点的编码包后，广播确认信息给水面浮标节点；

（5）当接收到的编码包的数目大于等于原始数据块数据包的数目时，信宿开始解码，若解码成功，则向信源和浮标节点反馈成功接收的信息，进行下一个数据块的传输；若解码不成功，则继续收集水面浮标节点转发的编码包；所有浮标节点收到信宿广播的确认信号后先检查自己缓存中是否有信宿已经成功接收的编码包，如果有，就将其从缓存中删除，并继续回传缓存中信宿没有成功接收的其他编码包；信宿成功解码数据块的确认信息通过浮标节点或者信宿的水声信道反馈给信源；若后续继续收到该数据块的编码包，则继续反馈解码成功信息；

（6）信源和浮标节点接收到信宿解码成功的确认信息后停止发送编码包；信源继续下一个数据块的发送。

2.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络的机会数据回传方法，其特征在于，所述的无速率编码用随机线性码、LT码或Raptor码来实现。

3.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络的机会数据回传方法，其特征在于，每个编码包的头部中应包含原始数据块序号和大小，编码包的序号，以及用于生成该 编码包的原始数据包的序号。

4.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络的机会数据回传方法，其特征在于，信宿反馈给浮标节点的确认信息中包含成功接收的编码数据包序号及其所在的数据块序号。