CN108696926B - 一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法 - Google Patents

一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，本方法中水下传感器节点部署于三维水下空间中，汇聚节点部署在水面上，节点按照所处深度划分为不同的簇，靠近汇聚节点垂直线的节点被选为网关节点，普通节点收集到数据包在指定时间间隙内向其簇内网关节点传输，网关节点将簇内数据包融合后，再沿垂直方向进行簇间数据传输。汇聚节点对节点通信时隙进行统一调度，相邻簇间节点在同一时隙进行错位通信，避免信号相互干扰；簇内使用基于网络编码的CSMA改进机制进行通信，降低传输冲突，减少重传次数。本发明通过相邻簇错时隙传输的设计，实现了网络跨层设计，很大程度上避免了数据传输冲突，从而提高数据传输可靠性，减少通信时延。

Description

一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法
技术领域
本发明涉及一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
由于电磁波、光信号在水中衰减严重，在现有技术中广泛应用于水下通信的是声信号，与广泛应用的电磁波、有线传输的技术相比，声信号面临巨大的挑战：
(1)带宽低；
(2)延时高；
(3)传输能耗高，且节点很难充电；
(4)节点成本高。
同时水声信号在水下还存在易受干扰的问题，以上特性给水下无线传感器网络中数据传输的可靠性带来了挑战。针对这个问题，有一些提高数据传输可靠性的传感器网络分层设计方法被采用，比如冗余、重传等。网络的分层设计可以降低网络整体设计的复杂度，现有的网络通常以“分层”方式进行，分层设计方法对于有线网络是成功的。然而，水声信道的接入冲突、用户干扰和信号衰落等情况远比有线网络严重得多，在这种情况下分层协议体系存在“非最优”和“不灵活”两个问题。“非最优”是由于分层设计导致了各层之间缺乏系统整体的信息共享，信息对每一层来说都是不充分的，无法保证整个网络达到最优化状态；“不灵活”是因为分层网络要求在最坏的情况下也能正常工作，使得网络协议只能基于最差的情况进行设计，缺乏适应环境变化的能力，影响协议栈对现有的资源进行优化配置。
对此，本申请提出一种基于跨层思想的数据可靠传输通信方法，该方法没有根据分层设计的思想对网络体系某一层进行可靠传输设计，而是通过跨层设计对整个网络性能实现提升。
发明内容
为解决上述背景技术存在的问题，针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于跨层思想的水下无线传感器网络数据可靠传输方法。节点根据所处深度划分簇，每个簇包含左右两个区域，汇聚节点对不同簇节点的通信时隙进行统一调度，使位于相邻簇的簇内节点进行区域错位通信，在接收数据时每个簇的网关节点只接受一个区域方向的信号，屏蔽掉相反区域的干扰信号，从而降低了通信冲突提高了传输可靠性，又能减少网络时延。节点在保证传输成功的情况下根据不同传输距离调整发射功率和发射频率，簇内数据传输使用基于CSMA的介质访问机制，结合网络编码技术，减少数据传输发生冲突时的重传数量，可以避免通信冲突，减少能耗。
本发明的技术方案如下：
一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，包括以下步骤：
(1)水下传感器节点部署于水下三维环境中，汇聚节点部署在水面上，水下节点根据深度不同分簇，在一定深度范围内的节点分为一个簇；
(2)区域划分
分簇完成后，每个簇选举一个网关节点，将所有簇根据簇与水平面的距离划分成N个簇，每个簇沿网关节点所在垂直平面将整个簇分成两个区域(左区域SL和右区域SR)；
(3)传输时隙调度
汇聚节点对簇内所有节点进行通信时隙调度，节点只能在“活跃”时隙内传输和接收数据包，否则只能感知数据包或切换到休眠状态；
(4)簇内数据传输
簇内节点在“活跃”的时隙，将数据周期性地通过多跳的方式发送到网关节点，为了避免相邻簇节点同时传输造成信道冲突，在同一时隙相邻簇错区域传输，簇内节点根据通信距离的不同调整信号发射功率和发射频率根据最短路由算法传输给网关节点，网关节点调整自己的天线接收方向，只接收簇内通信区域方向发来的数据，屏蔽另一个方向的干扰信号，当簇内传输发生冲突时，利用网络编码的方法解码出一部分有用信息，减少数据包重传次数；
其中，在进行簇内数据传输时，容易发生传输冲突，使用基于网络编码技术改进的CSMA链路层协议来控制冲突，两个子节点如果同时向一个目的节点传输数据包，在目的节点处会发生数据包冲突，此时目的节点对冲突数据包进行解码，若解码成功则只需一个节点重传数据包。
(5)网关节点向汇聚节点传输数据包，网关节点融合簇内数据，从下到上通过多跳传输的方法将融合后的数据包传输到汇聚节点。
其中，网关节点应配备有深度感知和通信方向调整设备，在一定条件下可实现定向通信和全向通信。在节点设计时可以添加一个自动化装备(例如：隔板)，当只要接收一边区域发来的数据时，用隔板将另一边接收设备覆盖住，这样可以屏蔽掉右边的信号，实现定向通信。
上述步骤(2)中分簇的区域划分的具体过程为：
a)网关节点选举，首先水面上的汇聚节点向水下节点发送网关节点选举数据包Beacon，其中含有深度限制信息，收到Beacon数据包后，只有处于深度限制范围即第一层的节点才能向汇聚节点回复确认信息，汇聚节点将最先向自己回复数据的水下节点提名为第一层簇的网关节点，此网关节点再通过同样的方式选出下一层深度的网关，以此循环选出所有深度簇的网关节点；
b)簇的形成，在每一层的网关节点选举完成后，网关节点向周围节点广播信息宣布自己为某一深度层所有节点的网关，所有位于这一深度范围的节点记录下该网关节点的ID及其位置信息，选择自己加入的簇，这样每一层形成一个簇，未来簇内节点在所分配的通信时隙内将感知到的数据传输给网关节点；
c)在分簇完成后，下层的网关节点通过上层以多跳的方式将每层网关节点的ID及位置信息发送给汇聚节点；
d)在收到所有网关节点数据后，汇聚节点沿经过网关节点的垂直平面将每个簇分为两个区域，分别为左区域SL和右区域SR，根据簇与水面的距离将簇标记为第1,2,…,N簇，
上述步骤(3)中，水下节点应知道其传输时隙，即汇聚节点应统一对节点进行通信时隙调度，通信时隙调度的分配过程如下：
a)通信时隙安排，在分簇完成后，开始网络时隙调度阶段，汇聚节点将节点通信的周期性时间划分为两个时隙T1、T2，同时又将时隙T1分为两个小时隙T11和T12，汇聚节点发送时隙安排信息告知网关节点，网关节点再广播通信时隙安排信息给簇内节点；
b)在时隙T11，处于被标记为奇数簇左区域SL节点进行簇内通信，将感知信息通过多跳传输给网关节点，为避免受到相邻簇传输干扰，网关节点调节天线将右区域SR信号屏蔽，该簇内右区域SR的节点全部切换到休眠状态，而处于被标记为偶数簇的右区域SR节点进行数据传输，网关节点将左区域SL信号屏蔽，左区域SL的节点切换到休眠状态；在时隙T12，处于被标记为偶数簇的右区域SR节点进行簇内通信，节点将感知到的信息通过多跳传输给网关节点，为避免受到邻簇干扰，网关节点将左区域SL信号屏蔽，左区域SL的节点切换到休眠状态，而处于被标记为奇数簇的左区域SL节点进行簇内数据传输，右区域SR的节点切换到休眠状态；
c)T1结束后，网关节点接收到了簇内所有节点感知到的数据，经过数据融合后，网关节点在时隙T2将融合后的数据通过多跳的方式依次从下层网关节点往上传输到汇聚节点；
d)在数据全部传输到汇聚节点之后，网关节点切换到休眠状态，其他水下节点则切换到信息感知状态或者休眠状态，等待下一个数据上传周期的到来。
步骤(4)中的簇内节点根据通信距离的不同调整信号发射功率和发射频率，将数据根据最短路由算法通过多跳的方式传输给网关节点，最短路由算法过程如下:
a)传输距离估计，节点可以根据信号强度指示(RSSI)计算出目标节点的大致距离；
b)传输功率选择，在估计出传输范围之后，节点根据水下声信号路径损耗公式：
TL(d,f)＝χ.log(d)+α(f).d+A (5)
其中TL(d,f)表示路径损耗，单位为dB，是节点间距d和工作频率f的函数，x为几何因子，在深水中通常取＝20，在浅水中取＝10，A表示加性噪声，在保证接收节点能够接收到数据的情况下选择最小的发送功率发送数据以节约节点能量；
c)发送频率选择，在估算出通信距离之后，节点根据水下声信号声源级SL与信号频率f的关系：
SL＝50+SNR+10lgd+α(f)d×10-3-18lgf
(6)
其中，SNR为信号到达接收机时的信噪比，d为传输距离，α(f)为吸收系数，由索普方程得出
Figure BDA0001654644040000051
将SL对f求导得
d(SL)/df＝[2.2×10-4/(1+f2)2+360.8/(4100+f2)2+5.5×10-7]fd-18/(fln10)
(8)
在水下无线传感网中，节点的通信范围一般为0.1km到100km，而
Figure BDA0001654644040000052
这说明，在0.1km到100km之间的的通信距离内存在一个最优频率f使得d(SL)/df＝0，即是传送功率最小，在求得最优发射频率后节点选择该发送频率与目标节点进行数据传送。
其中，簇内节点应合理地选择下一跳节点进行数据包的传输。在区域划分阶段，簇内节点知道其与网关节点的距离，在第一次向网关节点发送数据时，源节点首先向周围广播一个数据发送请求信息，收到请求的节点向数据源回复一个接收请求信息，此信息包含该节点到网关节点的距离，此时源节点选择距离网关节点最近的节点，根据最优频率和最小发射功率进行数据传输，当两个节点与网关节点距离相同时选择距离自己最近的节点进行数据包的传输，以此类推直到数据传输到网关节点。
其中，网关节点应有足够的存储空间以保存节点发送过来的数据，且网关节点应能够与相邻上下层的网关节点进行通信。
其中，节点应能够根据距离调节自己的发射功率和发送频率，并且在一定的时间段为了节能能够切换为休眠状态。
其中，为避免接收不到其他节点发送过来的数据，所有节点的位置可以不固定但位置偏移范围不大。
有益效果：本发明提供了一种水下无线传感器网络的跨层可靠传输方法，通过对网络结构的设计，本方法中按照节点所处深度划分为不同的簇，每个簇分为左右两个区域，汇聚节点对节点通信时隙进行统一调度，同一时隙相邻簇的节点进行错位通信，避免了上下层节点的通信干扰，并且减少了数据传输时延；簇内传输使用CSMA冲突避免机制，结合网络编码技术，可以有效减少数据包重传数量，进一步提高数据传输可靠性，并且减小能耗；在物理层节点根据网络层所选取的通信距离的不同调整发射功率和发射频率，节约节点能量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明所述网络区域划分及时隙调度算法流程；
图2为本发明所述第一层簇网关节点的选举；
图3为本发明所述第二层以下簇网关节点的选举；
图5为本发明所述簇的形成；
图4为本发明所述网络通信时隙调度；
图6为本发明所述数据上传流程；
图7为T11时隙各个相邻簇错位通信；
图8为T11时隙簇内物理层网络编码实现；
图9为本发明所述T2时段系统通信。
具体实施方式
了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
普通节点部署于三维水下环境中，汇聚节点部署在水面上，水下通信方式为声波通信，水下传感节点将感知到的信息通过多跳方式将数据传输到汇聚节点。主要包括网络区域划分和数据上传两个阶段。
如图1所示，网络区域划分包括以下步骤：
步骤101，开始进行网络区域划分。
步骤102，图2所示为簇的形成过程，汇聚节点首先向水下发送一个网关节点选举信标Beacon，信标中含有深度范围限制信息。收到信标后，只有第一层的节点才能回复网关节点竞争数据包ACK，汇聚节点将最先向其回复数据的节点提名为网关节点。如图3所示，第一层网关节点再以同样的方式选出第二层簇的网关节点，以此类推选出全部簇的网关节点。
步骤103，如图4所示，在网关节点选举完成后，网关节点向周围节点广播信息宣布自己成为某一深度的网关节点，所有这一深度的节点记录下该节点的ID以及位置信息，这些簇内普通节点将周期性感知到的信息传输给网关节点。在分簇完成后，下层的网关节点通过上层以多跳的方式将簇深度信息及ID发送给汇聚节点。
在收到反馈信息后，汇聚节点沿经过网关节点所在垂直平面将整个网络分为两个(左SL、右SR)区域，根据簇与水面的距离将簇标记为1,2,Λ,N簇，并将此标记和区域信息告知网关节点。
步骤104，如图5所示，在分簇完成后，汇聚节点将节点周期性传输数据的时间划分为两个时隙T1、T2，同时又将T1划分为两个小时隙T11、T12，汇聚节点对节点的通信时间进行统一调度。
在网络区域划分完成之后，汇聚节点为网络中的各个区域节点分配数据包发送时间，即活跃时间，在活跃时间到达时节点才能将感知到的数据包发送到网关节点。如图6所示，包括以下步骤：
步骤201，如图7所示，数据上传阶段，在时隙T11，处于奇数层的簇，其左区域节点进行簇内通信，节点将感知到的信息通过多跳方式传输给网关节点，为避免受到相邻簇干扰，网关节点调整信号接收设备将右边区域信号屏蔽实现定向通信，右区域的节点切换到休眠状态或信息感知状态；处于被标记为偶数簇的右区域节点进行数据传输，同样，为避免受到邻簇干扰，网关节点调整信号接收设备将左边区域信号屏蔽实现定向通信，左区域的节点切换到休眠状态或信息感知状态；步骤202，在T12时隙，所有簇的相反区域如前文所述进行错层通信。
在时隙调度完成后，节点在数据包传输时隙，通过最短路由选择最佳发射功率和最优发射频率，将数据通过多跳方式传输到网关节点。
如图8(a)所示，当两个节点A、B同时向一个目的节点C传输数据包时，若两个节点同时向一个目的节点传输数据包，且它们的目的节点相同，此时数据包将在节点C处发生冲突。如图8(b)所示，此时节点C利用网络编码方法解码出网络编码数据包
Figure BDA0001654644040000071
此时节点C只需向节点A、B中剩余能量较高的节点发送NACK请求重传数据包，无需两个节点都对冲突数据包进行重传。
步骤203，如图9所示，T1结束后，全部感知数据包发送到网关节点，在时隙T2，网关节点将接收到的数据在网关节点间通过多跳的方式依次从下层往上传输到汇聚节点。
步骤204，在数据全部传输到汇聚节点之后，网关节点切换到休眠状态，其他水下节点则切换到信息感知状态或者休眠状态，等待下一个通信周期的到来。
本发明具有简单、易实现、对节点性能要求低等特性，适用于水下三维部署结构的传感器网络，使用错层不同区域同时传输的策略减少了数据包传输冲突，提高了数据传输可靠性，同时减少了数据传输时延，降低节点平均能耗，并且可扩展性强，具有广泛的应用价值。
以上网络分簇方法、通信时隙分配和数据传输方法是本发明中的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明提出的方法前提下，该水下无线传感器网络数据传输方法有若干新的实施方案以及对本方案的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)水下传感器节点部署于水下三维环境中，汇聚节点部署在水面上，水下节点根据深度不同分簇，在一定深度范围内的节点分为一个簇；
(2)区域划分
分簇完成后，每个簇选举一个网关节点，将所有簇根据簇与水平面的距离划分成N个簇，每个簇沿网关节点所在垂直平面将整个簇分成左、右两个区域；
(3)传输时隙调度
汇聚节点对所有簇内节点进行数据传输时隙调度，节点只能在活跃时隙内传输和接收数据包，否则只能感知数据包或切换到休眠状态；
(4)簇内数据传输
簇内节点在活跃的时隙，将数据周期性地通过多跳的方式发送到网关节点，在同一时隙相邻簇错区域传输，簇内节点根据通信距离的不同调整信号发射功率和发射频率根据最短路由算法传输给网关节点，网关节点调整自己的天线接收方向，只接收簇内通信区域方向发来的数据，屏蔽另一个方向的干扰信号，当簇内传输发生冲突时，利用网络编码的方法解码出一部分有用信息，减少数据包重传次数；
(5)向汇聚节点传输数据包，网关节点融合簇内数据，从下到上通过多跳传输的方法将融合后的数据包传输到汇聚节点。
2.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，其特征在于所述步骤(2)中分簇的区域划分的具体过程为：
2-1：网关节点选举，首先水面上的汇聚节点向水下节点发送网关节点选举数据包Beacon，Beacon中含有深度限制信息，收到Beacon后，只有处于第一层的节点才能向汇聚节点回复确认信息，汇聚节点将最先向自己回复信息的水下节点提名为第一层的网关节点，此网关节点再通过同样的方式选出下一层深度的网关，以此循环选出所有深度簇的网关节点；
2-2：簇的形成，在每一层的网关节点选举完成后，网关节点向周围节点广播信息宣布自己为某一深度层所有节点的网关，所有位于这一深度范围的节点记录下该网关节点的ID及其位置信息，选择自己加入的簇，这样每一层形成一个簇，未来簇内节点在所分配的通信时隙内将感知到的数据传输给网关节点；
2-3：在分簇完成后，下层的网关节点通过上层以多跳的方式将每层网关节点的ID及位置信息发送给汇聚节点；
2-4：在收到所有网关节点数据后，汇聚节点沿经过网关节点的垂直平面将每个簇分为两个区域，分别为左区域SL和右区域SR，根据簇与水面的距离将簇标记为第1,2,…,N簇，并将此标记、区域信息和时隙安排信息告知网关节点。
3.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤(3)中通信时隙调度的过程如下：
3-1：通信时隙安排，在分簇完成后，开始网络时隙调度阶段，汇聚节点将节点通信的周期性时间划分为两个时隙T1、T2，同时又将时隙T1分为两个小时隙T11和T12，汇聚节点发送时隙安排信息告知网关节点，网关节点再广播通信时隙安排信息给簇内节点；
3-2：在时隙T11，处于被标记为奇数簇左区域SL节点进行簇内通信，将感知信息通过多跳传输给网关节点，网关节点调节天线将右区域SR信号屏蔽，该簇内右区域SR的节点全部切换到休眠状态，而处于被标记为偶数簇的右区域SR节点进行数据传输，网关节点将左区域SL信号屏蔽，左区域SL的节点切换到休眠状态；在时隙T12，处于被标记为偶数簇的右区域SR节点进行簇内通信，节点将感知到的信息通过多跳传输给网关节点，网关节点将左区域SL信号屏蔽，左区域SL的节点切换到休眠状态，而处于被标记为奇数簇的左区域SL节点进行簇内数据传输，右区域SR的节点切换到休眠状态；
3-3：T1结束后，网关节点接收到了簇内所有节点感知到的数据，经过数据融合后，网关节点在时隙T2将融合后的数据通过多跳的方式依次从下层网关节点往上传输到汇聚节点；
3-4：在数据全部传输到汇聚节点之后，下一个数据传输周期开始，回到步骤3-2，直到汇聚节点发布重新生成通信时隙安排。
4.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤(4)中的网关节点应配备有深度感知和通信方向调整设备，能够在一定条件下实现定向通信和全向通信；在节点设计时添加一个自动化隔板装备，当要接收一边区域发来的信息时，用隔板将接收设备另一半遮挡住，这样能够屏蔽掉另一边的信号，实现定向通信。
5.根据权利要求1所述一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤(4)中的簇内节点根据通信距离的不同调整信号发射功率和发射频率，将数据根据最短路由算法通过多跳的方式传输给网关节点，算法步骤如下：
5-1：传输距离估计，节点根据信号强度指示计算出目标节点的大致距离；
5-2：传输功率选择，在估计出传输范围之后，节点根据水下声信号路径损耗公式：
TL(d,f)＝xlogd+a(f)·d+A (1)
其中TL(d,f)表示路径损耗，单位为dB，是节点间距d和工作频率f的函数，x为几何因子，A表示加性噪声，在保证接收节点能够接收到数据的情况下选择最小的发送功率发送数据以节约节点能量；
5-3：发送频率选择，在估算出通信距离之后，节点根据水下声信号声源级SL与信号频率f的关系：
SL＝50+SNR+10lg d+α(f)·d×10-3-18lg f (2)
其中，SNR为信号到达接收机时的信噪比，d为传输距离，α(f)为吸收系数，由索普方程得出
Figure FDA0002902864500000031
将SL对f求导得
d(SL)/df＝[2.2×10-4/(1+f2)2+360.8/(4100+f2)2+5.5×10-7]fd-18/(fln10) (4)
在求得最优发射频率f后节点选择该发送频率与目标节点进行数据传送。
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