CN108810841A - 一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，首次提出了一种柱状蜂窝式三维分区结构，该三维分区结构采用了时分复用多址访问技术(Time Division Multiple Access：TDMA)、集群结构路由协议与机会路由协议的跨层结合。其中，柱状蜂窝式分区结构可有效抑制交叉声波传输路径的形成，保障各信号传播路径间有效间隔，以此降低声波信号干扰，提高网络的通信性能；时分复用多址访问技术可灵活分配各区的数据传送时隙，优化水下传感器节点的信道占用时间；集群结构路由协议与机会路由协议的结合可适应水下环境的多变性、不可预测性与水下传感器网络的高延时特性。

Description

一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络跨层通信技术领域，具体涉及一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法。
背景技术
制约水下传感器网络通信性能的典型问题为声波通信的信号干扰。信号干扰源于无线通信的非定向特性，拥有相同传输空间的无线终端在相同时间段各自收发数据时，可引发信号干扰，导致数据冲突。
针对水下传感器网络的信号干扰问题，近期的主要研究焦点是抗干扰型网络层路由协议的设计与数据链路层MAC(Media Access Control)协议的设计。前者的研究途径是优化水下传感器网络的空间拓扑结构，以减少交叉数据传送路径、分析有效转发节点等方法减少信号干扰；后者的研究途径是优化水下传感器节点的信道占用时间，以监测水下信道、分配数据转发时隙等方法减少信号干扰。
目前的针对水下传感器网络防干扰设计存在以下问题：
1、信号干扰的解决方法之一是使用载波监听冲突回避机制。但该机制会引起频繁的控制数据流，推迟正常数据的传输。这种问题在通信性能受限的水下声波通信尤其明显。
2、传感器网络的路由协议首要考虑全局网络的能量平衡。而水下环境的不可预测性会导致节点能耗的不规则性，从而形成多数交叉、相近声波传播路径的形成，加剧信号干扰。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，结合了网络层集群路由、机会路由与数据链路层时分复用技术，可在复杂的水下三维传感器网络中有效抑制相互交叉的声波传输路径的形成，由此减少声波信号干扰，提高通信性能。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，包括以下步骤：
(1)建立水下传感器网络，包括水底节点、水中转发节点、浮标节点和汇聚节点；所述水底节点、水中转发节点与浮标节点均具备水声通信功能；
(2)将水下传感器网络分成若干个相邻接的形状为蜂窝式六棱柱结构的分区，使用三种时隙标识符对各分区进行分配，且相邻分区的时隙标识符不同；
(3)不同时隙标识符对应不同时隙，设定具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据传输，具体数据传输过程为：水底节点使用水声通信，通过水中转发节点将数据发送至浮标节点；
(4)汇聚节点与各分区内的浮标节点之间采用电磁波无线通信，通过电磁波无线通信将数据发送至管理中心。
进一步地，所述水底节点的位置固定，部署时已配备位置信息；所述水中转发节点的位置不定，其可获取深度信息；所述浮标节点部署在水面上，可通过定位获取位置信息；所述汇聚节点的数目可以是一个或者多个，游走于水面，与各分区内的浮标节点无线通信获取数据。
进一步地，所述水下传感器网络中所有水底节点均装设有压力传感器，以获取其深度信息。
进一步地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)管理中心根据水底监测区域的大小、传感器节点的密度、传感器节点的通信范围规划蜂窝式六棱柱分区，于所有分区分配三种时隙并生成时隙标识符；
(2.2)管理中心将采用无线电磁波通信把整个水底监测区域的二维坐标、六棱柱分区的六边形边长信息与时隙标识符直接或通过汇聚节点发送至所有浮标节点，浮标节点将该信息加入信标帧，采用水声通信通过水中转发节点以多跳广播方式发送至水底节点；
(2.3)所有水底节点接收广播信息，根据水底监测区域的二维坐标范围、六边形边长信息与自身的位置坐标计算所在六棱柱区域，并记录所属分区的时隙标识符；
(2.4)水中转发节点经过水下定位后计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符；水面浮标节点通过无线电磁波通信直接获取地理位置信息计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符。
进一步地，所述水下定位指的是：水中转发节点采用多边定位算法实现水中定位。
进一步地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)划分三个等长的通信时隙，即为T1、T2和T3；
(3.2)令三种不同的时隙标识符分别对应通信时隙T1、T2和T3，形成TDMA时隙分配表，存放于所有节点；
(3.3)令具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据收发；对水底节点、水中转发节点和浮标节点均分配激活、感知、休眠三种状态；当到与时隙标识符通信标识对应的通信时隙时，对应区内的水底节点、水中转发节点与浮标节点三种节点转为激活状态，进行区内数据传输；当未到与时隙标识符通信标识对应的通信时隙时，对应区内的水底节点转为感知状态，采集海底数据，水中转发节点转为休眠状态，水面浮标节点转为感知状态，感知汇聚节点的靠近，并以电磁波通信发送数据。
进一步地，分区内节点进行数据传输的具体过程包括以下步骤：
(1)分区内所有的水底节点进行集群路由；包括：分区内所有水底节点进行簇头节点选举；通知同一分区内其他水底节点加入簇，成为簇成员；簇形成后，簇头节点广播TDMA时隙分配表至簇成员节点，其他簇成员节点周期性采集数据，到达所属时隙时将数据发送至簇头节点，簇头节点融合接收到的数据；
(2)簇头节点使用机会路由协议，通过水中转发节点将前述经过融合的数据发送至水面浮标节点。
进一步地，所述蜂窝式六棱柱结构的六边形为等边六边形，边长可根据水底监测区域的大小、传感器节点的密度、传感器节点的通信范围进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，结合了网络层集群路由、机会路由与数据链路层时分复用技术，可在复杂的水下三维传感器网络中有效抑制相互交叉的声波传输路径的形成，由此减少声波信号干扰，提高通信性能。
本发明中，时分复用多址访问技术可灵活分配各区的数据传送时隙，优化水下传感器节点的信道占用时间；集群结构路由协议与机会路由协议的结合可适应水下环境的多变性、不可预测性与水下传感器网络的高延时特性。
附图说明
图1是本发明一种实施例的整体流程图；
图2是本发明一种实施例中的水中转发节点的定位过程示意图；
图3是本发明一种实施例中蜂窝式柱状分区模型图；
图4是本发明一种实施例的时隙分配过程之二；
图5是T1时隙的使用过程图；
图6是T2时隙的使用过程图；
图7是T3时隙的使用过程图；
图8是本发明一种实施例的水底节点成簇过程图；
图9是本发明一种实施例的机会路由数据转发过程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
为了解决现有技术中数据的推迟传输和信号干扰情况严重的问题，如图1所示，本发明提出一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，具体包括以下步骤：
步骤一、建立水下传感器网络，用于实现海底数据采集，包括水底节点、水中转发节点、浮标节点和汇聚节点；
所述的水底节点设于水中，其位置固定，在进行水下传感器网络部署时已配备位置信息；且具备水声通信功能；
所述的水中转发节点设于水中，其位置是不定的，其可获取深度信息；在本发明的一种具体实施例中，为了获取深度信息，各水中转发节点中均装有压力传感器，将压力传感器得到水压转换成海水的深度，在本发明的其他实施例中还可以通过其他方法或者结构来获取水中转发节点的深度信息；且具备水声通信功能；
所述的浮标节点部署在水面上，可进行通信定位获取位置信息，在具体实施时，可以根据GPS或电磁波无线通信定位获取位置信息；
所述汇聚节点的数目可以是一个或者多个，游走于水面，与浮标节点通过电磁波无线通信获取数据。
步骤二、将水下传感器网络分成若干个相邻接的形状为蜂窝式六棱柱结构的分区，使用三种时隙标识符对各分区进行分配，且相邻分区的时隙标识符不同；
(2.1)管理中心根据水底监测区域的大小、传感器节点的密度、传感器节点的通信范围等水下传感器网络特性规划蜂窝式六棱柱分区，于所有分区分配三种时隙并生成时隙标识符，具体参见图2和图3；
(2.2)管理中心将采用无线电磁波通信把整个水底监测区域的二维坐标、六棱柱分区的六边形边长信息与三种时隙标识符直接或通过汇聚节点发送至所有浮标节点，浮标节点将该信息加入信标帧，采用水声通信通过水中转发节点以多跳广播方式发送至水底节点；
(2.3)所有水底节点接收广播信息，根据水底监测区域的二维坐标范围、其六边形边长信息与自身的位置坐标计算所在六棱柱区域，并记录所属分区的时隙标识符；
(2.4)水中转发节点经过水下定位后计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符；水面浮标节点通过无线电磁波通信(GPS等)直接获取地理位置信息并计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符。
如图3所示，水中转发节点的定位过程为：
2.1：初始化阶段，位于水面的浮标节点以及位于水下的水底节点(以下称为：参考节点)定期广播其地理位置信息，包含节点的二维坐标x、y；
2.2：水中转发节点收到某参考节点的广播信息后，记录坐标信息，再采用到达时间(Time of Arrival-ToA)方法计算出与该参考节点的信号传播距离d；
2.3：水中转发节点使用本身的深度信息c与信号传播距离d，计算出其与该参考节点的相对二维距离d’；
2.4：水中转发节点收集三个或以上参考节点的x、y二维坐标与相对二维距离d’采用多边定位算法计算出其本身的二维坐标；所述多边定位算法是现有技术，此处不再赘述；
2.5：部分水中转发节点可能无法感知三个以上参考节点，此时，则使用已定位的水中转发节点作为补充的参考节点(已定位的节点都可以担当未定位节点的参考节点)；
2.6：考虑到水中转发节点的移动性，周期性反复进行步骤2.1-2.6的定位过程，实现水中转发节点的定位。
步骤三、不同时隙标识符对应不同通信时隙，设定具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据传输，来抑制交叉的声波传输路径的形成；
(3.1)划分三个等长的通信时隙，即为T1、T2和T3；时隙标识符为1的所有的分区内节点使用T1时隙，时隙标识符为2的所有分区内节点使用T2时隙，时隙标识符为3的所有分区内节点使用T3时隙(具体参见图4)，所有区内的通信只能在对应的通信时隙内进行；
(3.2)：当时隙为T1时，所有时隙标识符为1的区内节点开始将水底的数据传输至水面，此时时隙标识符为2、3的区内转发节点与浮标节点处于休眠状态，水底节点处于感知状态，具体参见图5。
(3.3)：当T1时隙结束，T2时隙开始时，时隙标识符2的区内节点定时唤醒，开始将数据传输至水面。时隙标识符为1、3的区内转发节点与浮标节点处于休眠状态，水底节点处于感知状态，具体参见图6。
(3.4)：当T2时隙结束，T3时隙开始时，时隙标识符3的区内节点定时唤醒，开始将数据传输至水面。时隙标识符为1、2的区内转发节点与浮标节点处于休眠状态，水底节点处于感知状态，具体参见图7。
这种时分复用方法可有效抑制交叉声波传输路径的形成。
其中，分区内节点进行数据传输的具体过程包括以下步骤：
(1)分区内所有的水底节点进行集群路由，包括：
分区内所有水底节点进行簇头节点选举，在本发明实施例中，可采用经典的集群结构路由算法(如：Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy-LEACH、LEACH family等)选取簇头；
通知同分区内其他水底节点加入簇，成为簇成员，具体参见图8；
簇形成后，簇头节点广播TDMA时隙分配表至簇成员节点，其他簇成员节点周期性采集数据，到达所属时隙时将数据发送至簇头节点，簇头节点融合接收到的数据；
(2)簇头节点使用机会路由协议，通过水中转发节点将前述经过融合的数据发送至水面浮标节点，在本发明实施例中，水底簇头节可采用经典的机会路由算法(如：Extremely Opportunistic Routing-ExOR等)将数据转发至水面浮标节点，具体参见图9。
步骤四、汇聚节点与各分区内的浮标节点通信，实现将数据发送至管理中心，具体包括：
(4.1)位于水面上的浮标节点缓存接收到的数据，当汇聚节点靠近时以电磁波无线通信方式发送至汇聚节点；
(4.2)汇聚节点整合数据后发送至位于陆地上的管理站点。
综上所述：
本发明首次提出了一种柱状蜂窝式三维分区结构，该三维分区结构采用了时分复用多址访问技术(Time Division Multiple Access：TDMA)、集群结构路由协议与机会路由协议的跨层结合。其中，柱状蜂窝式分区结构可有效抑制交叉声波传输路径的形成，保障各信号传播路径间有效间隔，以此降低声波信号干扰，提高网络的通信性能；时分复用多址访问技术可灵活分配各区的数据传送时隙，优化水下传感器节点的信道占用时间；集群结构路由协议与机会路由协议的结合可适应水下环境的多变性、不可预测性与水下传感器网络的高延时特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立水下传感器网络，包括水底节点、水中转发节点、浮标节点和汇聚节点；所述水底节点、水中转发节点与浮标节点均具备水声通信功能；
(2)将水下传感器网络分成若干个相邻接的形状为蜂窝式六棱柱结构的分区，使用三种时隙标识符对各分区进行分配，且相邻分区的时隙标识符不同；
(3)不同时隙标识符对应不同时隙，设定具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据传输，具体数据传输过程为：水底节点使用水声通信，通过水中转发节点将数据发送至浮标节点；
(4)汇聚节点与各分区内的浮标节点之间采用电磁波无线通信，通过电磁波无线通信将数据发送至管理中心。
2.根据权利要求1所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述水底节点的位置固定，部署时已配备位置信息；所述水中转发节点的位置不定，其可获取深度信息；所述浮标节点部署在水面上，可通过定位获取位置信息；所述汇聚节点的数目可以是一个或者多个，游走于水面，与各分区内的浮标节点无线通信获取数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述水下传感器网络中所有水底节点均装设有压力传感器，以获取其深度信息。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)管理中心根据水底监测区域的大小、传感器节点的密度、传感器节点的通信范围规划蜂窝式六棱柱分区，于所有分区分配三种时隙并生成时隙标识符；
(2.2)管理中心将采用无线电磁波通信把整个水底监测区域的二维坐标、六棱柱分区的六边形边长信息与时隙标识符直接或通过汇聚节点发送至所有浮标节点，浮标节点将该信息加入信标帧，采用水声通信通过水中转发节点以多跳广播方式发送至水底节点；
(2.3)所有水底节点接收广播信息，根据水底监测区域的二维坐标范围、六边形边长信息与自身的位置坐标计算所在六棱柱区域，并记录所属分区的时隙标识符；
(2.4)水中转发节点经过水下定位后计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符；水面浮标节点通过无线电磁波通信直接获取地理位置信息计算所在六棱柱区域，记录所属分区的时隙标识符。
5.根据权利要求4所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述水下定位指的是：水中转发节点采用多边定位算法实现水中定位。
6.根据权利要求1所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)划分三个等长的通信时隙，即为T1、T2和T3；
(3.2)令三种不同的时隙标识符分别对应通信时隙T1、T2和T3，形成TDMA时隙分配表，存放于所有节点；
(3.3)令具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据收发；对水底节点、水中转发节点和浮标节点均分配激活、感知、休眠三种状态；当到与时隙标识符通信标识对应的通信时隙时，对应区内的水底节点、水中转发节点与浮标节点三种节点转为激活状态，进行区内数据传输；当未到与时隙标识符通信标识对应的通信时隙时，对应区内的水底节点转为感知状态，采集海底数据，水中转发节点转为休眠状态，水面浮标节点转为感知状态，感知汇聚节点的靠近，并以电磁波通信发送数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于，分区内节点进行数据传输的具体过程包括以下步骤：
(1)分区内所有的水底节点进行集群路由；包括：分区内所有水底节点进行簇头节点选举；通知同一分区内其他水底节点加入簇，成为簇成员；簇形成后，簇头节点广播TDMA时隙分配表至簇成员节点，其他簇成员节点周期性采集数据，到达所属时隙时将数据发送至簇头节点，簇头节点融合接收到的数据；
(2)簇头节点使用机会路由协议，通过水中转发节点将前述经过融合的数据发送至水面浮标节点。
8.根据权利要求1所述的一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，其特征在于：所述蜂窝式六棱柱结构的六边形为等边六边形，边长可根据水底监测区域的大小、传感器节点的密度、传感器节点的通信范围进行调整。
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