CN114584226A - 低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈 - Google Patents

低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈 Download PDF

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Abstract

本申请根据水下网络环境的特征设计和实现了水声通信网络协议栈，为水声通讯网络中所有设备之间通信规则的集合,采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；针对水声通信长延迟、易中断的问题,提出具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，保证尽量低的能耗和网络延迟下更高的网络吞吐率；覆盖层采用存储‑携带‑转发的工作方式，针对水下端到端链路数据传输不稳定问题，根据水下结点历史接触信息的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK‑SQ，针对CDK‑SQ网络拥塞问题,结合主动反馈模式和删除策略,提出CDK‑SQ‑TG路由协议，从投递率、平均延迟和开销率三个方面验证了CDK‑SQ‑TG的可行性和性能效果，具有巨大的实际意义和广阔的应用前景。

Description

低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈
技术领域
本申请涉及一种水声容断容迟通讯网络协议栈，特别涉及一种低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，属于水下水声通讯网络协议栈技术领域。
背景技术
有效提高海洋资源勘探能力、海洋环境监测保护能力以及海洋灾害预警能力是未来海洋经济可持续发展必然要求。海洋环境观测能力直接影响海洋资源利用和海洋环境保护的成败。
现有应用的海洋剖面仪观测系统存在两个方面的问题：一是剖面仪的工作方式采用单点观测,并将观测数据直接通过电缆或无线电的方式传输到控制中心，此类工作方式的移动性和可拓展性差；二是剖面仪之间无信息交互，使得海洋某一区域内无法进行高分辨率、立体观测。针对现阶段存在的问题，对实时高分辨率的持续立体海洋观测技术提出了需求。其中，网络协议作为海洋观测网络中所有设备之间通信规则的集合,属于水声通信网络的核心技术,直接影响网络的性能。因此，以海洋环境观测为背景，对海洋观测技术中水声通信网络系统的网络协议部分进行设计与实现是当前的迫切需求。
传输控制协议能够保证全球通信设备互联的稳定性，TCP/IP协议的成功运行基于以下假设：一是端到端之间至少存在一条稳定的链路；二是任意两个结点间的数据传输的往返时延不能太大；三是端到端的包的丢失率低。然而，并不是所有网络都能满足TCP/IP协议族的假设，此类网络为受限网络。不同类型的受限网络具备的特征也各不相同，受限网络普遍存在以下五个方面的特征：
第一，延迟高且可变：端到端时延由单跳时延组成，单跳时延由传播时延、传输时延、处理时延和排队时延组成，相对于陆地上的无线电作为传播媒介,声呐作为传播媒介明显带来了额外的传播时延。
第二，上下行速率不对称：受限网络环境无法预测，上下行速率由具体环境确定，声呐的传播速度会受到海水的温度和压力的影响。
第三，间歇性连接：间歇性连接由结点移动或结点能量耗尽等因素引起，间歇性连接在未必影响网络性能,水声通信网络通过结点休眠的方式来节约能耗使得网络的寿命得到延长。
第四，低信噪比和高误码率：受限网络存在信号衰减和噪声干扰现象，导致信宿无法正确解析数据，水声通信网络中的信道衰减、多径干扰、多普勒效应等现象都会造成低信噪比和高误码率的问题。
第五，资源有限：资源主要包括内存、能量和带宽，受工艺限制，结点的内存空间和能量有限，水下声波的可用带宽有限,超过十千米的长距离传输系统中只存在5KHz的带宽。
针对受限网络的特征，延迟容忍网络作为新型的网络架构被提出，当前容断容迟网络主要集中在传输层协议、网络安全问题、路由协议、其拥塞控制机制；水声通信网络作为典型的受限网络,容断容迟网络架构的提出就是为了更好地应对受限网络存在的问题，为水声通信网络的设计方案提供了更多的思路。
综上所述，现有技术的水声通讯网络协议栈仍然存在问题，本申请的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：
第一，现阶段水下水声通信网络海上海底构建主要存在两方面的两个方面：一是观测结点独自采集数据并直接通过电缆或无线电的方式传输到控制中心，此类工作方式的移动性和可拓展性差；二是观测结点之间没有信息交互，无法协同工作，针对现有技术存在的问题,对实时高分辨率持续立体海洋观测技术提出了需求，因此当前亟需以海洋环境观测为背景，对海洋观测技术中水声通信网络系统的网络协议部分进行设计与实现；
第二，现有技术水声通讯网络能不满足TCP/IP协议族的假设，一是延迟高且可变，相对于陆地上的无线电作为传播媒介,声呐作为传播媒介明显带来了额外的传播时延；二是上下行速率不对称，声呐的传播速度会受到海水的温度和压力的影响；三是间歇性连接，间歇性连接由结点移动或结点能量耗尽等因素引起，水声通信网络通过结点休眠的方式来节约能耗使得网络的寿命得到延长；四是低信噪比和高误码率，水声通信网络中的信道衰减、多径干扰、多普勒效应等现象都会造成低信噪比和高误码率的问题；五是资源有限，受工艺限制，结点的内存空间和能量有限，水下声波的可用带宽有限,超过十千米的长距离传输系统中只存在5KHz的带宽，以上导致水声通讯网络协议的特殊性，现有技术没有对应的解决方案；
第三，受工艺水平的限制，水下结点能量有限，另外水声通信延迟长、易中断,现有技术水下通讯容中断容延迟能力弱，水声通信网络作为典型的受限网络，采用容断容迟网络协议体系，传统的无线传感网络中，通信实现要求信源信宿之间至少构建一条稳定的连接。而在水下环境中，网络拓扑结构动态变化，结点呈现稀疏分布,声波传输速率受限，彼此间无法构建稳定的端到端连接，这给水声容断容迟网络路由协议的设计带来了巨大的挑战；
第四，水声容断容迟网络中的结点呈稀疏分布，链路稳定性得不到保证，为提高报文的投递率，通常采用多副本路由机制，然而，水下结点的能量和内存相对有限，多副本路由机制必定带来额外的网络开销,进而增加内存占用和能量消耗。当内存空间不足时，结点就会进入拥塞状态，影响报文的正常交付；水声容断容迟网络中构建端到端的持续稳定链路相对困难，其主要原因是水声链路延迟高且传输速率易受外界环境的影响,水下结点无法实时获取与其通信结点的拥塞状况并执行相应动作，拥塞问题相对严峻；基于接触概率的发散等候协议克服了发散等候协议的盲目性，但同时也引起了两方面的问题，一方面接触概率相对高的结点，其资源负担相对繁重,有可能在短时间内收到大量的副本来不及转发而引起网络拥塞；另一方面已成功交付的报文的冗余副本无法及时删除导致网络拥塞，缺少合理的拥塞控制机制来保证CDK-SQ路由协议的性能；
发明内容
针对现阶段实时高分辨率持续立体海洋观测需求，本申请根据水下网络环境的特征设计和实现了水声通信网络协议栈，为水声通讯网络中所有设备之间通信规则的集合,受限于水下结点能量有限,采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；针对水声通信长延迟、易中断的问题,提出具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，媒体接入层基于ALOHA协议，保证尽量低的能耗和网络延迟下得到更高的网络吞吐率；覆盖层采用“存储-携带-转发”的工作方式，针对水下端到端链路数据传输不稳定性问题，根据水下结点历史接触信息的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK-SQ，针对CDK-SQ路由协议存在的网络拥塞问题,结合主动反馈模式和删除策略,提出CDK-SQ-TG路由协议。从投递率、平均延迟和开销率三个方面验证了CDK-SQ-TG路由协议的可行性和性能效果，具有巨大的实际意义和广阔的应用前景。
为实现以上技术特征，本申请所采用的技术方案如下：
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，作为具有实时高分辨持续观测能力的水声通讯网络中所有设备之间通信规则的集合,包括：一是水声容断容迟通讯网络协议栈，包括水声通讯网络拓扑结构设计、水声通讯网络协议栈设计、水声Bundle层协议设计、水声MAC层协议设计；二是基于接触概率的发散等候水声网络协议CDK-SQ，包括计算接触概率、水声路由方法及过程；三是具有拥塞控制的CDK-SQ路由协议CDK-SQ-TG；
第一，基于水下结点能量有限，采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；基于水声通信长延迟、易中断的特征,设计具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，其中媒体接入层基于ALOHA协议，避免控制报文的开销，只在需要发送数据时占用信道，应对水下高延迟链路和能量有限的问题,保证尽量低的能耗和网络延迟下得到相对高的网络吞吐率；
第二，针对水下端到端链路数据传输不稳定性问题，利用水下结点历史接触规律的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK-SQ，计算接触概率包括接触频率计算矩阵的构建与更新、接触概率的分步计算，CDK-SQ路由协议根据结点的历史接触信息的差异性构建二维接触频率计算矩阵，在此基础对接触概率进行计算和对比，调整转发策略，提高报文的投递率，降低端到端的平均时延；
第三，针对CDK-SQ路由协议存在的网络拥塞问题，结合主动反馈模式和删除策略，从拥塞出现前和出现后两个方向抑制网络拥塞，提出适合CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制，称具有此类拥塞控制机制的CDK-SQ路由协议为CDK-SQ-TG路由协议，在拥塞现象发生前，加入主动反馈模式，当结点进入拥塞状态时，设置标准选择性删除本地缓存的报文。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，水声通讯网络拓扑结构设计：基于分布式对等网络拓扑结构，水声通信网络中需要考虑的重要因素是能量消耗，定量分析分布式对等网络拓扑结构的能耗：
假设网络中采用的多址协议支持任意数量的结点连接，网络中结点数共N个，且均匀分布在一条长度为S的直线上，直线末端为终端结点，则各结点之间的距离为S/N，如果一个结点要向相距x的结点发送长度为Tp的数据包，接收功率最低为P0，则发射功率为P1＝P0A(x)，其中A(X)是衰减因子，计算式为：
A(x)＝xkax 式1
其中，k是功率扩展因子，k值在球面状态下为2，圆柱状态下为1，实际中为1.2，a是取决于吸收系数α(f)中频率的系数，a的计算式为：
a＝10α(f)/10 式2
吸收系数的计算式为：
Figure BDA0003563579530000041
其中α(f)和f的单位分别是dB/km与KHz；
N个结点的网络通过多跳方式进行数据的传输，其总能量消耗Er计算式：单跳过程消耗的能量为P1＝P0A(S/N)，能耗为E1＝P1TP＝P0A(S/N)TP，所以N个结点所消耗的总能量为：
Er＝P0A(S/N)Tp+P0A(S/N)2Tp+…+P0A(S/N)NTp
＝P0A(S/N)TpN(N+1)/2 式4
N个结点的网络通过全连接的方式进行数据的传输，其总能量消耗Ed计算式：
Figure BDA0003563579530000042
在同样通信距离条件下，中继频率越多，其能耗就越低，能量的衰减呈指数趋势，通过增加中继频率能有效减少能量消耗，但中继频率的增加会造成额外的网络开销；
从通信距离受限角度分析，在相对有限的结点数目条件下获取更大水域面积的观测数据，采用多跳分布式对等网络拓扑结构；
从结点能量受限角度分析，完全分布式拓扑结构容易出现长距离无中继传输，其能耗远比多跳式传输方式高，采用多跳分布式对等网络拓扑结构作为水声通信网络的拓扑结构。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，水声通讯网络协议栈设计：根据传输方式、信道占用、路径选择和业务类型分为物理层、数据链路层、网络层和应用层；
水声通信网络体系结构采用容断容迟网络体系结构，容断容迟网络体系结构设置Bundle层，特征包括：
(1)容断容延迟，Bundle协议设置数据信息保管、交付、传输和丢弃，该层在链路不存在时,先将数据缓存在中间结点上,等有合适的传输链路时再发送出去,发送成功则删除缓存数据恢复内存空间,解决复杂水下环境中延时高、容易中断的问题；
(2)传输效率高，容断容迟网络直接将需要发送的数据信息和其它辅助信息打包成一个包裹发送，省去控制报文开销，提高信道资源利用率；
(3)可靠性高，协议包含保管机制,信宿如果收到数据包，就给信源回复Guar信号，通知其删除缓存报文，如果信源超时未收到反馈报文，则重传；同时,为避免不必要的信息传递造成资源浪费,Bundle只重传发送失败的报文，点到点层面对Bundle包进行保管重传能降低报文丢失率，保证端到端数据传输可靠性；
水声容断容迟网络协议栈的各层具体为：
(1)应用层：作为水声通讯网络分层结构的最顶层,是传感网络和用户的接口,上端为用户提供相应服务，下端管理Bundle层，应用层则确定应用进程使用信息服务的方式，各结点内部应用进程之间的互相通信及业务处理都依赖于应用层制定的协议；
(2)Bundle层：负责数据保管、交付、传输和丢弃，解决复杂水下环境中延时高,容易中断的问题,减少不必要的控制报文开销,提高信道利用率，保证端到端数据传输的可靠性；
(3)网络层：在信宿位置未知且有用信息有限的条件下,网络层迅速准确的找到连接收发结点的传输路径，包括为结点提供路由搜索和进行路由维护，同时还处理结点失效、结点移动意外状况导致的链路失效问题；
(4)数据链路层：对介质的访问进行控制,无线网络都是对有限的信道资源进行共享，只有对信道进行实时地监测或合理分配通信资源才能提高网络的吞吐率，减少不必要的延迟。
(5)物理层：水声容断容迟网络的最底层,利用信道特性和相应的调制解调方法，实现数据的透明传输，在发送端将接收到的二进制的比特流0和1转换为能在水声信道传输的声信号，在接收端再利用调制解调器去除噪声和失真的影响，将声信号还原为最初的逻辑信息。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，水声Bundle层协议设计：Bundle层协议的核心是保管及重传，即结点在数据成功交付前将数据存储起来,直到出现合适的通信链路时才发送,成功收到数据后发送反馈信号，发送端收到反馈信号后会将缓存的数据清除,释放内存，如果规定时间内未收到反馈信号，则重传，重传达到一定频率之后才丢弃缓存数据包，正常情况下数据不会被丢弃；
Bundle协议的子模块包括：封装模块、保管与重传模块、发送模块、接收模块、解封装模块，对数据进行存储时需要一种数据类型,数据发送成功进行反馈时需要另外一种数据类型，为进有效区分，分别设计为Bundle_Info与Bundle_Guar，Bundle_Info是上层数据传输载体，其帧结构包含数据长度、结束位、序列号、标志位、生存时间以及时间戳，Bundle_Guar是数据成功交付的反馈信号，包括标志位、结束位、序列号以及源地址在内的一些控制信息，此外，在保管与重发模块中，为存储已发送但未被确认的Bundle包，构建保管表；
Bundle层协议通过点到点层面可靠交付方式保证水声通信网络端到端数据传输的可靠性，点到点层面数据可靠交付采用“存储-携带-转发”的工作方式，在收到的反馈前不删除本地Bundle缓存包，此外，Bundle层定时重传来应对Bundle包的发送失败问题，在发送端，先对数据进行Bundle封装，然后进行Bundle保管,同时设定一个定时器，如果定时器时间内未收Bundle_Guar，则重新发送Bundle包，在接收端，收到带有源地址和Bundle的数据包后，先判断是Bundle_Info还是BundlcGuar，若是Bundle_Guar包，说明数据包已经成功被接收，则删除对应的Bundle缓存包,并停止对应的计数器；若是Bundle_Info包，则回复Bundle_Guar消息,表明本结点已收到数据包。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，基于接触概率的发散等候水声网络协议：水下结点的历史运动轨迹具有规律性,本申请通过二维接触频率计算矩阵反应结点的历史运动轨迹。相比静态路由表,接触频率计算矩阵不仅包含自身的历史接触信息，也能获取相邻结点的历史接触信息，更全面的描述结点当前的拓扑结构，利用二维接触频率计算矩阵分析结点之间的相对直接接触概率和相对间接接触概率,解决当前结点与目标结点接触概率低的路由难题；
定义接触概率的大小为pa，接触概率由两个参数来共同确定，一个是相对直接接触概率,即本结点相对于网络中其它结点以单跳方式到达目标结点的概率Pd，另一个是相对间接接触概率，即本结点相对于网络中其它结点以两跳的方式到达目标结点的概率pm，pd和pm计算需要每个结点维护一张二维的接触频率计算矩阵，进而得到接触概率pa的大小，选择合适的中继结点。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，接触频率计算矩阵的构建与更新：接触频率计算矩阵由n+1行n列组成,其中第一行表示的是与结点A接触的结点的ID,其内容为接触频率，先不看第一行的数据，矩阵中的每一列表示结点A能够得到的网络中其它结点接触情况，与Mi,j结点接触的结点有M2,j,…,Mn+1,j其内容为接触频率；
Figure BDA0003563579530000071
为得到最新的结点接触信息，结点间有接触时就必须对其接触频率计算矩阵进行更新，更新过程如下：假设结点A与结点B接触，A和B的接触频率计算矩阵的第一行对应ID下自增1，结点A的接触频率计算矩阵中对应于结点B的那一列数据会被结点B的接触频率计算矩阵的第一行替换，同样的结点B的接触频率计算矩阵中对应于结点A的那一列数据会被结点A的接触频率计算矩阵的第一行替换。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，接触概率的分步计算：接触概率由两部分组成，第一部分pd表示本结点与目标结点相对直接接触的概率，第二部分pm表示本结点与目标结点相对间接接触的概率，其计算式为：
Figure BDA0003563579530000072
Figure BDA0003563579530000073
其中，M1,d表示本结点与目标结点的直接接触频率,直接接触频率占总接触频率的比例就是本结点与目标结点的相对直接接触概率pd，M1,a表示本结点与中继结点a的接触频率，M1,a比上总的接触频率得到本结点到中继结点a的相对直接接触概率，Md+1,a表示中继结点a与目标结点的接触频率，Md+1,a比上中继结点a的总接触次得到中继结点a到目标结点的相对直接接触概率，最后将所有通过两跳的方式到达目标结点的相对间接接触概率相加得到本结点到目标结点的相对间接接触概率Pm；
结合式2和式3得到接触概率pa的计算式为：
pa＝k1×pd+k2×pm 式9
其中k1+k2＝1，k1为相对直接接触概率的权重因子，k2为相对间接接触概率的权重因子，通过调节权重因子确定接触概率的偏重。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，水声路由方法及过程：基于接触概率的发散等候协议是通过比较接触概率值的大小动态选择中继结点，其中结点自身需要维护一张二维接触频率计算矩阵用于计算接触概率,接触概率反映当前结点相对于网络中的其它结点以单跳和两跳方式到达信宿的相对概率，结点间如果发生接触事件，两结点的接触频率计算矩阵得到相应的更新并计算各自的接触概率,根据接触概率的大小选择是否转发报文；
CDK-SQ路由过程：结点先对本地bundle报文进行复制并探测附近的结点，如果发现信宿则将副本直接交付,如果发现中继结点则交换并更新各自的接触频率计算矩阵，根据接触概率选择性转发副本，当副本数量为1的结点与不包含该报文副本的结点接触时,结点同样执行基于接触概率的动态转发策略，报文副本的生存期相对有限，如果报文副本缓存时间超过其生存期则丢弃该副本。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，CDK-SQ-TG协议的主动反馈模式：当目标地点收到报文时，目标结点就以广播的方式通知附近的结点删除本地缓存的对应报文的副本，同时,附近的结点会以同样的方式广播通知通信能力范围内的结点删除冗余副本；
具体为：S将报文副本转发给M1、M2和M3，此时3个中继结点都包含了报文的副本，而后M3与M4接触，M3顺利将副本转发给M4，M4与D接触并将报文副本成功交付给D,D收到报文副本后立即以广播的形式通知附近的结点销毁对应的本地冗余副本，M4收到广播信息后删除对应的本地冗余副本并将广播消息进行转发，M1、M2和M3收到M4发来的广播信息后删除对应的本地冗余副本，最后点S收到M2的广播消息并删除了对应的本地冗余副本。
低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，进一步的，CDK-SQ-TG协议的删除策略：当结点进入拥塞状态时,删除本地缓存的报文，设置标准去选择性删除本地缓存的报文；
RHC表示一个报文的生命周期，即事先已经定义好的一个报文最多被转发的次数，RHC的值越小，报文在网络中存在的时间就越长,RHC评估报文在网络中的滞留时间，CDK-SQ路由协议中，结点转发策略的参照量接触概率作为报文成功交付的评估因素，CDK-SQ-TG算法结合RHC参数和接触概率来定义报文的价值Vm；
Figure BDA0003563579530000081
其中，pa表示接触概率，RHC表示剩余的生命周期，RHCmax表示生命周期的上限，α∈(0,1)，根据具体的网络环境选择α的值，当α的值大于0.5时，说明在选择删除本地报文时更看重报文的接触概率,相反则更看重报文的剩余生命周期，V用于评估报文的价值，当Vm越小，说明该报文的价值越小，即该报文到达目标结点的可能性就越小以及其剩余的生命周期也越短，当结点进入拥塞状态时，不但可以立马解除拥塞状态,而且可以为后续转发来的报文提供额外的存储空间，从而提高网络的投递率；
当结点收到一份报文且剩余内存空间小于最大报文的Size时，会对本地报文按价值Vm进行排序，序列尾部的报文为价值最低的报文，删除尾部报文，如果剩余空间还不足最大报文Size则继续删除尾部报文直至剩余空间足够存放最大报文。
与现有技术相比，本申请的创新点和优势在于：
第一，针对现阶段实时高分辨率持续立体海洋观测需求，本申请根据水下网络环境的特征设计和实现了水声通信网络协议栈，为水声通讯网络中所有设备之间通信规则的集合,受限于水下结点能量有限,采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；针对水声通信长延迟、易中断的问题,提出具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，媒体接入层基于ALOHA协议，保证尽量低的能耗和网络延迟下得到更高的网络吞吐率；水声容断容迟网络协议栈覆盖层采用“存储-携带-转发”的工作方式，针对水下端到端链路数据传输不稳定性问题，根据水下结点历史接触信息的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK-SQ，CDK-SQ路由协议属于有控制的多副本路由协议,针对CDK-SQ路由协议存在的网络拥塞问题,结合主动反馈模式和删除策略,提出CDK-SQ-TG路由协议。从投递率、平均延迟和开销率三个方面验证了CDK-SQ-TG路由协议的可行性和性能效果；
第二，针对水声链路的不稳定性和资源的有限性问题,本申请从节能和健壮性的角度分析并设计水下网络拓扑结构，在此基础上,为保证水下结点端到端数据传输的可靠性，水声通信网络协议栈采用容断容迟网络协议体系，在水下结点数量和通信能力有限的条件下,本申请水声通讯网络拓扑结构的设计一是实现了网络的覆盖面积和工作时间最大化；二是网络的自愈能力强，能够最大程度减少个别结点失效造成的影响，从节能和健壮性的角度看效果更好、网络拓扑结构清晰，容断容延迟、输效率高、可靠性高；
第三，本申请针对节能需求，采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式。针对水声通信长延迟、易中断的问题，设计具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，媒体接入层采用ALOHA协议，保证尽量低的能耗和网络延迟下得到更高的网络吞吐率；网络层设计了CDK-SQ路由协议，并根据CDK-SQ路由协议存在的拥塞问题提出了CDK-SQ-TG路由协议；基于水下结点的历史运动轨迹具有规律性,通过二维接触频率计算矩阵反应结点的历史运动轨迹。相比静态路由表,接触频率计算矩阵不仅包含自身的历史接触信息，也能获取相邻结点的历史接触信息，更全面的描述结点当前的拓扑结构，因此利用二维接触频率计算矩阵分析结点之间的相对直接接触概率和相对间接接触概率,解决当前结点与目标结点接触概率低的路由难题，具有巨大的实际意义和广泛的应用前景；
第四，针对CDK-SQ路由协议存在的拥塞问题，本申请提出一种适合CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制(CDK-SQ-TG路由协议)，接收端角度设计CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制；当网络中的结点进入拥塞状态前，接收端角度减轻结点的存储压力最有效的方法是反馈模式，针对水下链路延迟高且可变的应用场景,主动反馈模式对时延不敏感，信宿收到报文副本则以广播的方式通知附近的结点删除本地冗余副本,并且附近的结点以同样的方式通知其通信能力范围内的结点删除冗余副本；当网络中的结点进入拥塞状态，接收端角度处理网络拥塞问题最迅速的方法是删除本地缓存报文，有效解决结点的网络拥塞问题，防止网络拥塞的蔓延，根据RHC和接触概率综合评估缓存报文价值的删除策略,按顺序丢弃价值最低的报文来减轻内存负担，及时解决拥塞问题并为后续的报文提供更多的存储空间，进而提高投递率。
附图说明
图1是水声通讯网络中继次数、通信距离与能耗关系图。
图2是OSI、TSQ/IP与水声通信网络体系结构分层对比图。
图3是水声容断容迟网络协议栈结构示意图。
图4是水声Bundle层Bundle_Info报文格式示意图。
图5是水声Bundle层Bundle_Guar报文格式示意图。
图6是水声Bundle层Bundle保管记录表格式示意图。
图7是水声Bundle协议具体工作流程图。
图8是基于接触概率的发散等候水声网络协议CDK-SQ路由过程图。
图9是CDK-SQ和CDK-SQ-TG仿真实验参数设置示意图。
图10是水声容断容迟通讯网络拥塞现象示意图。
图11是CDK-SQ-TG协议的主动反馈模式示意图。
图12是CDK-SQ-TG协议的删除策略流程图。
图13是CDK-SQ-TG仿真实验分组投递率对比图。
图14是CDK-SQ-TG仿真实验平均延迟对比图。
具体实施方法
下面结合附图，对本申请提供的低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本申请并能够予以实施。
海洋观测对于海洋灾害预警、海洋环境和权益保护具有重要的现实作用，现阶段水声通信网络海上海底构建主要存在两方面的两个方面：一是观测结点独自采集数据并直接通过电缆或无线电的方式传输到控制中心，此类工作方式的移动性和可拓展性差；二是观测结点之间没有信息交互，无法协同工作。针对现阶段存在的问题,对实时高分辨率持续立体海洋观测技术提出了需求。因此，本申请根据水下网络环境的特征设计和实现水声通信网络协议栈。
受工艺水平的限制，水下结点能量有限,因此采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；针对水声通信长延迟、易中断的问题,提出具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，其中,媒体接入层基于ALOHA协议，保证尽量低的能耗和网络延迟下得到更高的网络吞吐率。
水声容断容迟网络协议栈覆盖层采用“存储-携带-转发”的工作方式，路由层为Bundle包提供合理的传输路径；针对水下端到端链路数据传输不稳定性问题，本申请根据水下结点历史接触信息的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK-SQ，从投递率、平均延迟和开销率等三个方面验证CDK-SQ路由协议的可行性。
CDK-SQ路由协议属于有控制的多副本路由协议,其造成网络拥塞的原因主要包括三个方面：一是成功交付的报文的冗余副本得不到合理的删除；二是结点活跃度的差异性造成了内存分配不平衡问题；三是相对难交付的报文副本长期占用内存。针对CDK-SQ路由协议存在的网络拥塞问题,本申请结合主动反馈模式和删除策略,提出CDK-SQ-TG路由协议。从投递率、平均延迟和开销率等三个方面验证CDK-SQ-TG路由协议的可行性。
一、水声容断容迟通讯网络协议栈
针对水声链路的不稳定性和资源的有限性问题,本申请从节能和健壮性的角度分析并设计水下网络拓扑结构，在此基础上,为保证水下结点端到端数据传输的可靠性，水声通信网络协议栈采用容断容迟网络协议体系。
(一)水声通讯网络拓扑结构设计
在水下结点数量和通信能力有限的条件下,水声通讯网络拓扑结构的设计主要包括两点：一是网络的覆盖面积和工作时间最大化；二是网络的自愈能力强，能够最大程度减少个别结点失效造成的影响。本申请将对现有的拓扑结构进行分析，并从节能和健壮性的角度对水下拓扑结构进行设计。
基于分布式对等网络拓扑结构,水声通信网络中需要考虑的重要因素是能量消耗，定量分析分布式对等网络拓扑结构的能耗：
假设网络中采用的多址协议支持任意数量的结点连接，网络中结点数共N个，且均匀分布在一条长度为S的直线上,直线末端为终端结点，则各结点之间的距离为S/N，如果一个结点要向相距x的结点发送长度为Tp的数据包，接收功率最低为P0，则发射功率为P1＝P0A(x)，其中A(X)是衰减因子，计算式为：
A(x)＝xkax 式1
其中，k是功率扩展因子，k值在球面状态下为2，圆柱状态下为1，实际中为1.2，a是取决于吸收系数α(f)中频率的系数，a的计算式为：
a＝10α(f)/10 式2
吸收系数的计算式为：
Figure BDA0003563579530000121
其中α(f)和f的单位分别是dB/km与KHz；
N个结点的网络通过多跳方式进行数据的传输，其总能量消耗Er计算式：单跳过程消耗的能量为P1＝P0A(S/N)，能耗为E1＝P1TP＝P0A(S/N)TP，所以N个结点所消耗的总能量为：
Er＝P0A(S/N)Tp+P0A(S/N)2Tp+…+P0A(S/N)NTp
＝P0A(S/N)TpN(N+1)/2 式4
N个结点的网络通过全连接的方式进行数据的传输，其总能量消耗Ed计算式：
Figure BDA0003563579530000122
如图1所示，横坐标表示距离，纵坐标表示网络总能耗，各曲线表示不同中继频率的情况，从上到下各曲线依次为中继频率为1、2、3、4、5的情况。在同样通信距离条件下，中继频率越多，其能耗就越低，其主要原因是能量的衰减呈指数趋势，通过增加中继频率能有效减少能量消耗，但中继频率的增加会造成额外的网络开销，应合理选择水下结点数量。
从通信距离受限角度分析，水下结点选择的通信载体是声波且通信能力有限，完全连接式网络拓扑结构的正常运行需保证网络中的所有结点能够直接相互通信，对于通信能力有限的水下结点，其通信能力确定了水声通信网络的规模。为了在相对有限的结点数目条件下获取更大水域面积的观测数据，采用多跳分布式对等网络拓扑结构。从结点能量受限角度分析，完全分布式拓扑结构容易出现长距离无中继传输，其能耗远比多跳式传输方式高。因此，采用多跳分布式对等网络拓扑结构作为水声通信网络的拓扑结构。
(二)水声通讯网络协议栈设计
OSI互联参照网络体系结构、TSQ/IP网络体系结构与水声通信网络体系结构分层对比如图2所示。水声通信网络属于典型的受限网络，链路延迟高且资源相对有限，大规模、多层次、多功能的庞杂分层结构反而会限制网络性能。因此,根据传输方式、信道占用、路径选择和业务类型分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。
针对水声信道存在时延高、通信链路不稳定、链路传输速率不对称、误码率高等特征，为保证水下结点端到端传输的可靠性，水声通信网络体系结构采用容断容迟网络体系结构，容断容迟网络体系结构设置Bundle层，具有以下优点：
(1)容断容延迟，Bundle协议设置数据信息保管、交付、传输和丢弃，该层在链路不存在时,先将数据缓存在中间结点上,等有合适的传输链路时再发送出去,发送成功则删除缓存数据恢复内存空间,解决复杂水下环境中延时高、容易中断的问题。
(2)传输效率高，区别于其它网络在发送数据包前先发送控制报文，容断容迟网络直接将需要发送的数据信息和其它辅助信息打包成一个包裹发送，省去控制报文开销，提高信道资源利用率。
(3)可靠性高，协议包含保管机制,信宿如果收到数据包，就给信源回复Guar信号，通知其删除缓存报文，如果信源超时未收到反馈报文，则重传；同时,为避免不必要的信息传递造成资源浪费,Bundle只重传发送失败的报文，点到点层面对Bundle包进行保管重传能降低报文丢失率，保证端到端数据传输可靠性。
水声容断容迟网络协议栈各层分工明确，协同工作以完成信息的传输和处理。按照图3所示结构，水声容断容迟网络协议栈的各层具体为：
(1)应用层：作为水声通讯网络分层结构的最顶层,是传感网络和用户的接口,上端为用户提供相应服务，下端管理Bundle层，应用层则确定应用进程使用信息服务的方式，各结点内部应用进程之间的互相通信及业务处理都依赖于应用层制定的协议。
(2)Bundle层：负责数据保管、交付、传输和丢弃，解决复杂水下环境中延时高,容易中断的问题,减少不必要的控制报文开销,提高信道利用率，保证端到端数据传输的可靠性。
(3)网络层：在信宿位置未知且有用信息有限的条件下,网络层迅速准确的找到连接收发结点的传输路径，包括为结点提供路由搜索和进行路由维护，同时还处理结点失效、结点移动意外状况导致的链路失效问题。
(4)数据链路层：对介质的访问进行控制,由于无线网络都是对有限的信道资源进行共享，只有对信道进行实时地监测或合理分配通信资源才能提高网络的吞吐率，减少不必要的延迟。
(5)物理层：水声容断容迟网络的最底层,利用信道特性和相应的调制解调方法，实现数据的透明传输，在发送端将接收到的二进制的比特流0和1转换为能在水声信道传输的声信号，在接收端再利用调制解调器去除噪声和失真的影响，将声信号还原为最初的逻辑信息。.
(三)水声Bundle层协议设计
Bundle层协议的核心是保管及重传，即结点在数据成功交付前将数据存储起来,直到出现合适的通信链路时才发送,成功收到数据后发送反馈信号，发送端收到反馈信号后会将缓存的数据清除,释放内存，如果规定时间内未收到反馈信号，则重传，重传达到一定频率之后才丢弃缓存数据包，正常情况下数据不会被丢弃。该层有效解决水声信道数据传输不稳定问题。
Bundle协议的子模块包括：封装模块、保管与重传模块、发送模块、接收模块、解封装模块，对数据进行存储时需要一种数据类型,数据发送成功进行反馈时需要另外一种数据类型，为进有效区分，分别设计为Bundle_Info与Bundle_Guar，Bundle_Info是上层数据传输载体，其帧结构包含数据长度、结束位、序列号、标志位、生存时间以及时间戳，Bundle_Guar是数据成功交付的反馈信号，包括标志位、结束位、序列号以及源地址在内的一些控制信息，Bundle_Info和Bundle_Guar具体帧结构分别如图4和图5所示。此外，在保管与重发模块中，为存储已发送但未被确认的Bundle包，构建保管表，保管表需要遵循唯一且简洁原则。表格式设计如图6所示。
Bundle层协议通过点到点层面可靠交付方式保证水声通信网络端到端数据传输的可靠性，点到点层面数据可靠交付采用“存储-携带-转发”的工作方式，在收到的反馈前不删除本地Bundle缓存包，此外，Bundle层定时重传来应对Bundle包的发送失败问题，Bundle协议具体工作流程如图7所示，在发送端，先对数据进行Bundle封装，然后进行Bundle保管,同时设定一个定时器，如果定时器时间内未收Bundle_Guar，则重新发送Bundle包，在接收端，收到带有源地址和Bundle的数据包后，先判断是Bundle_Info还是BundlcGuar，若是Bundle_Guar包，说明数据包已经成功被接收，则删除对应的Bundle缓存包,并停止对应的计数器；若是Bundle_Info包，则回复Bundle_Guar消息,表明本结点已收到数据包。
(四)水声MAC层协议设计
MAC协议给网络中的结点分配媒体，其合理性直接影响水声通信网络的性能，MAC协议在尽可能低的能耗和信道延时下,获取尽可能高的网络吞吐量，同时保证网络中的结点能相对公平的共享媒体资源。
水声不仅速度慢,还容易受外界因素影响，通信协议需精确估算信息传输的往返时间，声速差的存在使得以此参数为基础的协议在水下环境中无法正常运行，另外水声信道带宽相对有限，不管从时间分配角度,还是频率分配角度对信道进行固定分配，都可能导致信道经常处于空闲状态或者出现爆发性的数据拥堵，前者导致资源浪费，后者导致数据不能及时发送。因此本申请采用竞争机制MAC协议，竞争机制MAC协议数据帧包含源MAC地址、目标MAC地址、数据信息、标志位、序列号及停止位。
二、基于接触概率的发散等候水声网络协议
水声通信网络作为典型的受限网络，采用容断容迟网络协议体系，Bundle层采用“存储-携带-转发”的交换方式，中继结点携带报文移动,在合适的时刻选择合理的方式转发报文，最终将报文交付给信宿，传统的无线传感网络中，通信实现要求信源信宿之间至少构建一条稳定的连接。而在水下环境中，网络拓扑结构动态变化，结点呈现稀疏分布,声波传输速率受限，彼此间无法构建稳定的端到端连接，这给水声容断容迟网络路由协议的设计带来了巨大的挑战。
水下结点历史运动轨迹具有差异性,一部分结点较长时间内不会接触,另一部分结点接触相对频繁，活跃度高的结点存储的报文会相对快速传输到信宿，活跃度相对低的结点存储的报文需要多次中继才能得到交付，报文生命周期相对有限，中继频率越多报文被丢弃的可能性越大，合理选择中继结点尤为重要。本申请根据水下结点历史接触信息的差异性构建了接触频率计算矩阵，进而提出CDK-SQ路由协议，当结点有报文需要传输时且接触到中继结点，结点动态调整报文的转发策略。
(一)基于接触概率的发散等候协议
水下结点的历史运动轨迹具有规律性,本申请通过二维接触频率计算矩阵反应结点的历史运动轨迹。相比静态路由表,接触频率计算矩阵不仅包含自身的历史接触信息，也能获取相邻结点的历史接触信息，更全面的描述结点当前的拓扑结构，因此利用二维接触频率计算矩阵分析结点之间的相对直接接触概率和相对间接接触概率,解决当前结点与目标结点接触概率低的路由难题。
定义接触概率的大小为pa，接触概率由两个参数来共同确定，一个是相对直接接触概率,即本结点相对于网络中其它结点以单跳方式到达目标结点的概率Pd，另一个是相对间接接触概率，即本结点相对于网络中其它结点以两跳的方式到达目标结点的概率pm，pd和pm计算需要每个结点维护一张二维的接触频率计算矩阵，进而得到接触概率pa的大小，选择合适的中继结点。
1.计算接触概率
基于接触频率计算矩阵的构建和更新，首先是接触频率计算矩阵的构建与更新，然后是接触概率的计算。
1)接触频率计算矩阵的构建与更新
如式6所示,接触频率计算矩阵由n+1行n列组成,其中第一行表示的是与结点A接触的结点的ID,其内容为接触频率，先不看第一行的数据，矩阵中的每一列表示结点A能够得到的网络中其它结点接触情况，与Mi,j结点接触的结点有M2,j,…,Mn+1,j其内容为接触频率；
Figure BDA0003563579530000161
为得到最新的结点接触信息，结点间有接触时就必须对其接触频率计算矩阵进行更新，更新过程如下：假设结点A与结点B接触，A和B的接触频率计算矩阵的第一行对应ID下自增1，结点A的接触频率计算矩阵中对应于结点B的那一列数据会被结点B的接触频率计算矩阵的第一行替换，同样的结点B的接触频率计算矩阵中对应于结点A的那一列数据会被结点A的接触频率计算矩阵的第一行替换。
2)接触概率的分步计算
接触概率由两部分组成，第一部分pd表示本结点与目标结点相对直接接触的概率，第二部分pm表示本结点与目标结点相对间接接触的概率，其计算式为：
Figure BDA0003563579530000162
Figure BDA0003563579530000163
其中，M1,d表示本结点与目标结点的直接接触频率,直接接触频率占总接触频率的比例就是本结点与目标结点的相对直接接触概率pd，M1,a表示本结点与中继结点a的接触频率，M1,a比上总的接触频率得到本结点到中继结点a的相对直接接触概率，Md+1,a表示中继结点a与目标结点的接触频率，Md+1,a比上中继结点a的总接触次得到中继结点a到目标结点的相对直接接触概率，最后将所有通过两跳的方式到达目标结点的相对间接接触概率相加得到本结点到目标结点的相对间接接触概率Pm；
结合式2和式3得到接触概率pa的计算式为：
pa＝k1×pd+k2×pm 式9
其中k1+k2＝1，k1为相对直接接触概率的权重因子，k2为相对间接接触概率的权重因子，通过调节权重因子确定接触概率的偏重。
2.水声路由方法及过程
基于接触概率的发散等候协议是通过比较接触概率值的大小动态选择中继结点，其中结点自身需要维护一张二维接触频率计算矩阵用于计算接触概率,接触概率反映当前结点相对于网络中的其它结点以单跳和两跳方式到达信宿的相对概率，结点间如果发生接触事件，两结点的接触频率计算矩阵得到相应的更新并计算各自的接触概率,根据接触概率的大小选择是否转发报文。
CDK-SQ路由过程如图8所示，结点先对本地bundle报文进行复制并探测附近的结点，如果发现信宿则将副本直接交付,如果发现中继结点则交换并更新各自的接触频率计算矩阵，根据接触概率选择性转发副本，当副本数量为1的结点与不包含该报文副本的结点接触时,结点同样执行基于接触概率的动态转发策略，报文副本的生存期相对有限，如果报文副本缓存时间超过其生存期则丢弃该副本。
(三)仿真CDK-SQ实验
为验证所设计的基于接触概率的发散等候协议的性能，从投递率、网络开销率和平均延迟三个方面对比分析Epdemic路由协议、二分发散等候路由协议、PROPHET路由协议和CDK-SQ路由协议。
1.参数设置
采用OPNET仿真平台，仿真环境利用管道模型模仿水声信道,设置为8KM*8KM*200m大小的3D水下环境，网络包含16个结点，其中有一个结点是汇聚结点，分组的大小为120bit，分组产生间隔为40sec(全网)/600sec(结点)，具体参数如图9。
2.结果与分析
在仿真时间内，CDK-SQ路由协议的分组投递率一直比二分发散等候协议、Epdemic路由协议以及PROPHET路由协议高。其主要原因是CDK-SQ路由协议结点各自维护一张二维接触频率计算矩阵，结点不会盲目地去转发自身的副本，而是根据接触概率动态调整转发策略。CDK-SQ路由协议结合了有控制多副本的优势和概率选择的思想，更好的适应了水下网络环境。
二分发散等候协议和基于接触概率的发散等候协议的平均延迟都比Epdemic路由协议和PROPHET路由协议要低,CDK-SQ路由协议的平均延迟低于二分发散等候协议。其主要原因是CDK-SQ路由协议是利用结点历史接触信息的差异性合理选择下一跳结点,使得分组能够更加准确且迅速地交付给目标结点。
平均开销率由报文副本开销比上成功交付报文的数量得到。Epdemic路由协议的平均开销率是最高的,主要是因为副本的无限制的转发造成了额外的网络开销。CDK-SQ路由协议的开销率与BSW路由协议持平，其主要原因是CDK-SQ路由协议的结点需要维护一张接触频率计算矩阵,接触频率计算矩阵的更新会带来额外的网络开销。
CDK-SQ路由协议通过构建和实时更新二维接触频率计算矩阵来对结点的历史运动轨迹进行描述,进而计算相对直接接触概率和相对间接接触概率得到接触概率，二维接触频率计算矩阵的维护虽然会造成额外的网络开销,但通过接触概率动态地调整转发策略能够提高报文的投递率和降低端到端的平均时延。总体来说，二分发散等候协议的性能得到了一定的提升。
三、具有拥塞控制的CDK-SQ路由协议
水声容断容迟网络中的结点呈稀疏分布，链路稳定性得不到保证，为提高报文的投递率，通常采用多副本路由机制。然而，水下结点的能量和内存相对有限，多副本路由机制必定带来额外的网络开销,进而增加内存占用和能量消耗。当内存空间不足时，结点就会进入拥塞状态，影响报文的正常交付。
为抑制网络拥塞现象,互联网主要采用TSQ拥塞控制机制,然而，水声容断容迟网络中构建端到端的持续稳定链路相对困难，其主要原因是水声链路延迟高且传输速率易受外界环境的影响。因此,水下结点无法实时获取与其通信结点的拥塞状况并执行相应动作，拥塞问题相对严峻。水声容断容迟网络的路由协议和拥塞控制机制密不可分，路由协议确定了转发策略，而转发策略的多样性导致网络拥塞状况存在差异性，路由协议确定的条件下，合理选择对应的拥塞控制机制相当必要。
基于接触概率的发散等候协议通过维护二维接触频率计算矩阵的方式描述结点的历史运动轨迹和计算接触概率的大小,进而根据接触概率动态调整转发策略，克服了发散等候协议的盲目性。但同时也引起了两方面的问题，一方面接触概率相对高的结点，其资源负担相对繁重,有可能在短时间内收到大量的副本来不及转发而引起网络拥塞；另一方面已成功交付的报文的冗余副本无法及时删除导致网络拥塞，因此，还需要合理设计拥塞控制机制来保证CDK-SQ路由协议的性能，本申请首先对现有的拥塞控制机制进行深入研究,并分析CDK-SQ路由协议存在的拥塞问题。针对CDK-SQ路由协议存在的拥塞问题进提出了CDK-SQ-TG路由协议，最后在OPNET仿真平台上验证了CDK-NQ-TG路由协议的可行性。
(一)拥塞控制机制分析
针对水下结点存储空间有限的问题，合理分配内存的重要性不言而喻。而适应网络状况的拥塞控制机制能保证内存的合理分配。本申请将从发送端和接收端两个角度对现有的拥塞控制机制进行分析。
基于发送端的拥塞控制机制分为副本数量控制，抑制包的传递和合理转发策略。基于接收端的拥塞控制方法分为反馈方式抑制，选择性接收抑制，转移和选择性删除报文。
(二)CDK-SQ路由协议的拥塞问题
CDK-SQ路由协议将传统的一维路由表拓展为二维接触频率计算矩阵，不仅考虑了结点以单跳方式成功交付报文的概率,也考虑结点以两跳方式成功交付报文的概率,更详细描述结点的历史接触规律,提高了报文成功交付的概率。然而,CDK-SQ路由协议只考虑如何能够更迅速的将报文顺利交付给目标结点，却忽视了中继结点的拥塞问题，中继结点的拥塞问题主要原因包括以下三个方面：一是成功交付的报文冗余副本得不到合理的删除：二是活跃度相对高的中继结点收到大量的转发报文而来不及转发：三是存储空间被相对难转发的报文副本长期占据并不断积累。
如图10所示,源结点S与比自身接触概率高的M1、M2和M3接触并转发副本，而后M1、M2和M3分别都与中继结点M4相接触，且中继结点M4的接触概率都比M1、M2和M3要高,但M1、M2和M3无法将包转发给M4，这是因为中继结点M4在之前的一段时间内收到大量转发包而处于拥塞状态。此时中继结点都无法正常地进行包的转发动作,网络性能严重下降。
(三)具有拥塞控制的CDK-SQ路由协议
针对CDK-SQ路由协议存在的拥塞问题，本申请提出一种适合CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制，具有该拥塞控制机制的CDK-SQ路由协议称为CDK-SQ-TG路由协议，发送端角度设计CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制需要限制报文副本数量或者调整转发策略，但CDK-SQ路由协议的设计已限制报文副本数量，并根据结点历史接触信息合理调整转发策略，因此选择接收端角度设计CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制。
当网络中的结点进入拥塞状态前，接收端角度减轻结点的存储压力最有效的方法是反馈模式，针对水下链路延迟高且可变的应用场景,通过反馈模式抑制发送端的发送速率不具有可行性，而主动反馈模式对时延不敏感，如果信宿收到报文副本则以广播的方式通知附近的结点删除本地冗余副本,并且附近的结点以同样的方式通知其通信能力范围内的结点删除冗余副本。
当网络中的结点进入拥塞状态，接收端角度处理网络拥塞问题最迅速的方法是删除本地缓存报文，虽然会影响部分报文正常投递,但能够有效地解决结点的网络拥塞问题，防止网络拥塞的蔓延。因此，本申请提出一种根据RHC和接触概率综合评估缓存报文价值的删除策略,按顺序丢弃价值最低的报文来减轻内存负担。
1.CDK-SQ-TG协议的主动反馈模式
基于接触概率的发散等候协议属于有控制的多副本路由协议，该路由协议只从发送端的角度尽可能快速的将报文成功交付给目标结点,并没有考虑到已经成功交付的报文存在的冗余副本问题，为合理消除网络中的冗余副本,本申请设计一种可选择的主动反馈模式，当目标地点收到报文时，目标结点就以广播的方式通知附近的结点删除本地缓存的对应报文的副本，同时,附近的结点会以同样的方式广播通知通信能力范围内的结点删除冗余副本。
如图11所示，S将报文副本转发给M1、M2和M3，此时3个中继结点都包含了报文的副本，而后M3与M4接触，M3顺利将副本转发给M4，M4与D接触并将报文副本成功交付给D,D收到报文副本后立即以广播的形式通知附近的结点销毁对应的本地冗余副本，M4收到广播信息后删除对应的本地冗余副本并将广播消息进行转发，M1、M2和M3收到M4发来的广播信息后删除对应的本地冗余副本，最后点S收到M2的广播消息并删除了对应的本地冗余副本。
2.CDK-SQ-TG协议的删除策略
当结点进入拥塞状态时,删除本地缓存的报文是最快速解决拥塞问题的手段，设置标准去选择性删除本地缓存的报文。
RHC表示一个报文的生命周期，即事先已经定义好的一个报文最多被转发的次数，RHC的值越小，报文在网络中存在的时间就越长,RHC评估报文在网络中的滞留时间，CDK-SQ路由协议中，结点转发策略的参照量接触概率作为报文成功交付的评估因素，CDK-SQ-TG算法结合RHC参数和接触概率来定义报文的价值Vm；
Figure BDA0003563579530000201
其中，pa表示接触概率，RHC表示剩余的生命周期，RHCmax表示生命周期的上限，α∈(0,1)，根据具体的网络环境选择α的值，当α的值大于0.5时，说明在选择删除本地报文时更看重报文的接触概率,相反则更看重报文的剩余生命周期，V用于评估报文的价值，当Vm越小，说明该报文的价值越小，即该报文到达目标结点的可能性就越小以及其剩余的生命周期也越短，当结点进入拥塞状态时，不但可以立马解除拥塞状态,而且可以为后续转发来的报文提供额外的存储空间，从而提高网络的投递率。
如图12所示,当结点收到一份报文且剩余内存空间小于最大报文的Size时，会对本地报文按价值Vm进行排序，序列尾部的报文为价值最低的报文，删除尾部报文，如果剩余空间还不足最大报文Size则继续删除尾部报文直至剩余空间足够存放最大报文。
(四)CDK-SQ-TG仿真结果分析
为了更好的分析具有拥塞控制的CDK-SQ路由协议的性能，在OPNET平台上模拟3D水下环境从投递率、平均延迟和开销率三个方面对比CDK-SQ路由算法。
1.参数设置
选择使用OPNET仿真平台对CDK-SQ-TG和CDK-SQ路由协议进行性能比较，仿真环境利用管道模型模仿水声信道,设置为8KM*8KM*200m大小的3D水下环境，网络包含16个结点，其中有一个结点是汇聚结点。分组的大小为120bit，分组产生间隔为40sec(全网)/600sec(结点)。具体参数如图9。
2.结果与分析
如图13所示，在6KS之前，CDK-SQ-TG路由协议的投递率比CDK-SQ路由协议的投递率低，其主要原因是CDK-SQ-TG路由协议加入了主动反馈模式，带来额外的网络开销影响了报文的正常交付；在6KS之后,CDK-SQ-TG路由协议的投递率相比于CDK-SQ路由协议的投递率高，其主要原因是在6KS之后网络中部分结点进入拥塞状态,拥塞状态触发CDK-SQ-TG对本地报文的删除策略,结点会对报文的剩余生命周期和接触概率进行综合评估得到报文的价值Vm,进而根据Vm对本地缓存报文进行排序,删除价值最低的报文，使得删除报文造成的影响最小化，结点在拥塞状况出现之前，通过主动反馈模式尽量减轻结点的内存压力。主动反馈模式虽然带来了额外的网络开销,但为网络中的结点提供了额外的内存空间，有利于网络的持续稳定。在结点在出现拥塞状况时，删除本地价值最低的报文能及时解决拥塞问题并为后续的报文提供更多的存储空间，进而提高投递率。
如图14所示，在6KS之前，CDK-SQ-TG路由协议与CDK-SQ路由协议相比，CDK-SQ-TG的开销率要高，其主要原因是目标结点收到报文后会主动通知网络中的结点去删除对应的冗余报文副本，造成了额外的网络开销。在6KS之后，CDK-SQ-TG的开销率逐渐比CDK-SQ的开销率低，其主要原因是网络在6KS后部分结点进入拥塞状态，对于CDK-SQ路由协议而言，内存得不到释放，进而增加了网络开销。而CDK-SQ-TG由于加入了删除策略，选择丢弃价值最小的报文来腾出存储空间，避免了无效的转发，从而降低了开销率。
由仿真结果可知，在拥塞现象发生前，由于加入了主动反馈模式，CDK-SQ-TG路由协议不可避免的带来了额外的网络开销，进而影响了投递率和平均延迟。但随着时间的推移，网络中部分结点进入拥塞状态，CDK-SQ-TG路由协议的投递率逐渐的比CDK-SQ路由协议要高，其网络开销率也得到了明显改善。

Claims (10)

1.低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，作为具有实时高分辨持续观测能力的水声通讯网络中所有设备之间通信规则的集合,包括：一是水声容断容迟通讯网络协议栈，包括水声通讯网络拓扑结构设计、水声通讯网络协议栈设计、水声Bundle层协议设计、水声MAC层协议设计；二是基于接触概率的发散等候水声网络协议CDK-SQ，包括计算接触概率、水声路由方法及过程；三是具有拥塞控制的CDK-SQ路由协议CDK-SQ-TG；
第一，基于水下结点能量有限，采用分布式多跳对等拓扑结构作为水下结点的部署方式；基于水声通信长延迟、易中断的特征,设计具有容断容迟能力的水声通信网络协议栈，其中媒体接入层基于ALOHA协议，避免控制报文的开销，只在需要发送数据时占用信道，应对水下高延迟链路和能量有限的问题,保证尽量低的能耗和网络延迟下得到相对高的网络吞吐率；
第二，针对水下端到端链路数据传输不稳定性问题，利用水下结点历史接触规律的差异性提出基于接触概率的发散等候协议CDK-SQ，计算接触概率包括接触频率计算矩阵的构建与更新、接触概率的分步计算，CDK-SQ路由协议根据结点的历史接触信息的差异性构建二维接触频率计算矩阵,在此基础对接触概率进行计算和对比，调整转发策略，提高报文的投递率，降低端到端的平均时延；
第三，针对CDK-SQ路由协议存在的网络拥塞问题，结合主动反馈模式和删除策略,从拥塞出现前和出现后两个方向抑制网络拥塞，提出适合CDK-SQ路由协议的拥塞控制机制，称具有此类拥塞控制机制的CDK-SQ路由协议为CDK-SQ-TG路由协议，在拥塞现象发生前，加入主动反馈模式，当结点进入拥塞状态时,设置标准选择性删除本地缓存的报文。
2.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，水声通讯网络拓扑结构设计：基于分布式对等网络拓扑结构,水声通信网络中需要考虑的重要因素是能量消耗，定量分析分布式对等网络拓扑结构的能耗：
假设网络中采用的多址协议支持任意数量的结点连接，网络中结点数共N个，且均匀分布在一条长度为S的直线上,直线末端为终端结点，则各结点之间的距离为S/N，如果一个结点要向相距x的结点发送长度为Tp的数据包,接收功率最低为P0，则发射功率为P1＝P0A(x)，其中A(X)是衰减因子，计算式为：
A(x)＝xkax 式1
其中，k是功率扩展因子，k值在球面状态下为2，圆柱状态下为1，实际中为1.2，a是取决于吸收系数α(f)中频率的系数，a的计算式为：
a＝10α(f)/10 式2
吸收系数的计算式为：
Figure FDA0003563579520000021
其中α(f)和f的单位分别是dB/km与KHz；
N个结点的网络通过多跳方式进行数据的传输，其总能量消耗Er计算式：单跳过程消耗的能量为P1＝P0A(S/N)，能耗为E1＝P1TP＝P0A(S/N)TP，所以N个结点所消耗的总能量为：
Er＝P0A(S/N)Tp+P0A(S/N)2Tp+…+P0A(S/N)NTp
＝P0A(S/N)TpN(N+1)/2 式4
N个结点的网络通过全连接的方式进行数据的传输,其总能量消耗Ed计算式：
Figure FDA0003563579520000022
在同样通信距离条件下，中继频率越多，其能耗就越低，能量的衰减呈指数趋势,通过增加中继频率能有效减少能量消耗，但中继频率的增加会造成额外的网络开销；
从通信距离受限角度分析，在相对有限的结点数目条件下获取更大水域面积的观测数据，采用多跳分布式对等网络拓扑结构；
从结点能量受限角度分析，完全分布式拓扑结构容易出现长距离无中继传输，其能耗远比多跳式传输方式高，采用多跳分布式对等网络拓扑结构作为水声通信网络的拓扑结构。
3.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，水声通讯网络协议栈设计：根据传输方式、信道占用、路径选择和业务类型分为物理层、数据链路层、网络层和应用层；
水声通信网络体系结构采用容断容迟网络体系结构，容断容迟网络体系结构设置Bundle层，特征包括：
(1)容断容延迟，Bundle协议设置数据信息保管、交付、传输和丢弃，该层在链路不存在时,先将数据缓存在中间结点上,等有合适的传输链路时再发送出去,发送成功则删除缓存数据恢复内存空间,解决复杂水下环境中延时高、容易中断的问题；
(2)传输效率高，容断容迟网络直接将需要发送的数据信息和其它辅助信息打包成一个包裹发送，省去控制报文开销，提高信道资源利用率；
(3)可靠性高，协议包含保管机制,信宿如果收到数据包，就给信源回复Guar信号，通知其删除缓存报文，如果信源超时未收到反馈报文，则重传；同时,为避免不必要的信息传递造成资源浪费,Bundle只重传发送失败的报文，点到点层面对Bundle包进行保管重传能降低报文丢失率，保证端到端数据传输可靠性；
水声容断容迟网络协议栈的各层具体为：
(1)应用层：作为水声通讯网络分层结构的最顶层,是传感网络和用户的接口,上端为用户提供相应服务，下端管理Bundle层，应用层则确定应用进程使用信息服务的方式，各结点内部应用进程之间的互相通信及业务处理都依赖于应用层制定的协议；
(2)Bundle层：负责数据保管、交付、传输和丢弃，解决复杂水下环境中延时高,容易中断的问题,减少不必要的控制报文开销,提高信道利用率，保证端到端数据传输的可靠性；
(3)网络层：在信宿位置未知且有用信息有限的条件下,网络层迅速准确的找到连接收发结点的传输路径，包括为结点提供路由搜索和进行路由维护，同时还处理结点失效、结点移动意外状况导致的链路失效问题；
(4)数据链路层：对介质的访问进行控制,无线网络都是对有限的信道资源进行共享，只有对信道进行实时地监测或合理分配通信资源才能提高网络的吞吐率，减少不必要的延迟；
(5)物理层：水声容断容迟网络的最底层,利用信道特性和相应的调制解调方法，实现数据的透明传输，在发送端将接收到的二进制的比特流0和1转换为能在水声信道传输的声信号，在接收端再利用调制解调器去除噪声和失真的影响，将声信号还原为最初的逻辑信息。
4.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，水声Bundle层协议设计：Bundle层协议的核心是保管及重传，即结点在数据成功交付前将数据存储起来,直到出现合适的通信链路时才发送,成功收到数据后发送反馈信号，发送端收到反馈信号后会将缓存的数据清除,释放内存，如果规定时间内未收到反馈信号，则重传，重传达到一定频率之后才丢弃缓存数据包，正常情况下数据不会被丢弃；
Bundle协议的子模块包括：封装模块、保管与重传模块、发送模块、接收模块、解封装模块，对数据进行存储时需要一种数据类型,数据发送成功进行反馈时需要另外一种数据类型，为进有效区分，分别设计为Bundle_Info与Bundle_Guar，Bundle_Info是上层数据传输载体，其帧结构包含数据长度、结束位、序列号、标志位、生存时间以及时间戳，Bundle_Guar是数据成功交付的反馈信号，包括标志位、结束位、序列号以及源地址在内的一些控制信息，此外，在保管与重发模块中，为存储已发送但未被确认的Bundle包，构建保管表；
Bundle层协议通过点到点层面可靠交付方式保证水声通信网络端到端数据传输的可靠性，点到点层面数据可靠交付采用“存储-携带-转发”的工作方式，在收到的反馈前不删除本地Bundle缓存包，此外，Bundle层定时重传来应对Bundle包的发送失败问题，在发送端，先对数据进行Bundle封装，然后进行Bundle保管,同时设定一个定时器，如果定时器时间内未收Bundle_Guar，则重新发送Bundle包，在接收端，收到带有源地址和Bundle的数据包后，先判断是Bundle_Info还是BundlcGuar，若是Bundle_Guar包，说明数据包已经成功被接收，则删除对应的Bundle缓存包,并停止对应的计数器；若是Bundle_Info包，则回复Bundle_Guar消息,表明本结点已收到数据包。
5.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，基于接触概率的发散等候水声网络协议：水下结点的历史运动轨迹具有规律性,本申请通过二维接触频率计算矩阵反应结点的历史运动轨迹，相比静态路由表,接触频率计算矩阵不仅包含自身的历史接触信息，也能获取相邻结点的历史接触信息，更全面的描述结点当前的拓扑结构，利用二维接触频率计算矩阵分析结点之间的相对直接接触概率和相对间接接触概率,解决当前结点与目标结点接触概率低的路由难题；
定义接触概率的大小为pa，接触概率由两个参数来共同确定，一个是相对直接接触概率,即本结点相对于网络中其它结点以单跳方式到达目标结点的概率Pd，另一个是相对间接接触概率，即本结点相对于网络中其它结点以两跳的方式到达目标结点的概率pm，pd和pm计算需要每个结点维护一张二维的接触频率计算矩阵，进而得到接触概率pa的大小，选择合适的中继结点。
6.根据权利要求5所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，接触频率计算矩阵的构建与更新：接触频率计算矩阵由n+1行n列组成,其中第一行表示的是与结点A接触的结点的ID,其内容为接触频率，先不看第一行的数据，矩阵中的每一列表示结点A能够得到的网络中其它结点接触情况，与Mi,j结点接触的结点有M2,j,…,Mn+1,j其内容为接触频率；
Figure FDA0003563579520000041
为得到最新的结点接触信息，结点间有接触时就必须对其接触频率计算矩阵进行更新，更新过程如下：假设结点A与结点B接触，A和B的接触频率计算矩阵的第一行对应ID下自增1，结点A的接触频率计算矩阵中对应于结点B的那一列数据会被结点B的接触频率计算矩阵的第一行替换，同样的结点B的接触频率计算矩阵中对应于结点A的那一列数据会被结点A的接触频率计算矩阵的第一行替换。
7.根据权利要求5所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，接触概率的分步计算：接触概率由两部分组成，第一部分pd表示本结点与目标结点相对直接接触的概率，第二部分pm表示本结点与目标结点相对间接接触的概率，其计算式为：
Figure FDA0003563579520000051
Figure FDA0003563579520000052
其中，M1,d表示本结点与目标结点的直接接触频率,直接接触频率占总接触频率的比例就是本结点与目标结点的相对直接接触概率pd，M1,a表示本结点与中继结点a的接触频率，M1,a比上总的接触频率得到本结点到中继结点a的相对直接接触概率，Md+1,a表示中继结点a与目标结点的接触频率，Md+1,a比上中继结点a的总接触次得到中继结点a到目标结点的相对直接接触概率，最后将所有通过两跳的方式到达目标结点的相对间接接触概率相加得到本结点到目标结点的相对间接接触概率Pm；
结合式2和式3得到接触概率pa的计算式为：
pa＝k1×pd+k2×pm 式9
其中k1+k2＝1，k1为相对直接接触概率的权重因子，k2为相对间接接触概率的权重因子，通过调节权重因子确定接触概率的偏重。
8.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，水声路由方法及过程：基于接触概率的发散等候协议是通过比较接触概率值的大小动态选择中继结点，其中结点自身需要维护一张二维接触频率计算矩阵用于计算接触概率,接触概率反映当前结点相对于网络中的其它结点以单跳和两跳方式到达信宿的相对概率，结点间如果发生接触事件，两结点的接触频率计算矩阵得到相应的更新并计算各自的接触概率,根据接触概率的大小选择是否转发报文；
CDK-SQ路由过程：结点先对本地bundle报文进行复制并探测附近的结点，如果发现信宿则将副本直接交付,如果发现中继结点则交换并更新各自的接触频率计算矩阵，根据接触概率选择性转发副本，当副本数量为1的结点与不包含该报文副本的结点接触时,结点同样执行基于接触概率的动态转发策略，报文副本的生存期相对有限，如果报文副本缓存时间超过其生存期则丢弃该副本。
9.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，CDK-SQ-TG协议的主动反馈模式：当目标地点收到报文时，目标结点就以广播的方式通知附近的结点删除本地缓存的对应报文的副本，同时,附近的结点会以同样的方式广播通知通信能力范围内的结点删除冗余副本；
具体为：S将报文副本转发给M1、M2和M3，此时3个中继结点都包含了报文的副本，而后M3与M4接触，M3顺利将副本转发给M4，M4与D接触并将报文副本成功交付给D,D收到报文副本后立即以广播的形式通知附近的结点销毁对应的本地冗余副本，M4收到广播信息后删除对应的本地冗余副本并将广播消息进行转发，M1、M2和M3收到M4发来的广播信息后删除对应的本地冗余副本，最后点S收到M2的广播消息并删除了对应的本地冗余副本。
10.根据权利要求1所述低能耗高吞吐水声容断容迟通讯网络协议栈，其特征在于，CDK-SQ-TG协议的删除策略：当结点进入拥塞状态时,删除本地缓存的报文，设置标准去选择性删除本地缓存的报文；
RHC表示一个报文的生命周期，即事先已经定义好的一个报文最多被转发的次数，RHC的值越小，报文在网络中存在的时间就越长,RHC评估报文在网络中的滞留时间，CDK-SQ路由协议中，结点转发策略的参照量接触概率作为报文成功交付的评估因素，CDK-SQ-TG算法结合RHC参数和接触概率来定义报文的价值Vm；
Figure FDA0003563579520000061
其中，pa表示接触概率，RHC表示剩余的生命周期，RHCmax表示生命周期的上限，α∈(0,1)，根据具体的网络环境选择α的值，当α的值大于0.5时，说明在选择删除本地报文时更看重报文的接触概率,相反则更看重报文的剩余生命周期，V用于评估报文的价值，当Vm越小，说明该报文的价值越小，即该报文到达目标结点的可能性就越小以及其剩余的生命周期也越短，当结点进入拥塞状态时，不但可以立马解除拥塞状态,而且可以为后续转发来的报文提供额外的存储空间，从而提高网络的投递率；
当结点收到一份报文且剩余内存空间小于最大报文的Size时，会对本地报文按价值Vm进行排序，序列尾部的报文为价值最低的报文，删除尾部报文，如果剩余空间还不足最大报文Size则继续删除尾部报文直至剩余空间足够存放最大报文。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115550084A (zh) * 2022-10-09 2022-12-30 哈尔滨工程大学 基于水下混合通信的并联触发式光纤收发唤醒系统及方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102572955A (zh) * 2012-03-02 2012-07-11 青海师范大学 水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法
US20140071826A1 (en) * 2012-09-05 2014-03-13 Thales Transmission method in an ad hoc multi-hop ip network
CN108429591A (zh) * 2017-11-13 2018-08-21 西北工业大学 一种适用于深海信道的多载波水声通信方法
US20180302172A1 (en) * 2015-10-16 2018-10-18 Universita' Degli Studi Di Roma "La Sapienza" Method for managing in an adaptive and joint way the routing policy and the retransmission policy of a node in an underwater network, and means for its implementation
CN108718226A (zh) * 2018-05-08 2018-10-30 天津大学 一种水下长延时传感器网络传输层数据传输方法
CN108809691A (zh) * 2017-04-28 2018-11-13 波音公司 延迟和中断容忍网络中的通信业务优化和模糊化
CN109617937A (zh) * 2017-10-04 2019-04-12 波音公司 用于无人驾驶水下交通工具的安全且容断通信
KR20190062921A (ko) * 2017-11-29 2019-06-07 국민대학교산학협력단 심리스 ｄｔｎ 프로토콜을 사용한 수중통신 장치 및 그 통신방법
CN111866982A (zh) * 2020-06-19 2020-10-30 青海师范大学 一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法
KR102242664B1 (ko) * 2019-11-12 2021-04-20 한국해양과학기술원 3d 수중 음향센서 네트워크에서의 성능 최적화 장치 및 그 장치의 구동방법
CN113301032A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 西北工业大学 一种基于Q-Learning的水声网络MAC协议切换方法
WO2022000435A1 (zh) * 2020-06-29 2022-01-06 浙江大学 水下传感器自组网多路径传输纠删编码块分配方法和装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102572955A (zh) * 2012-03-02 2012-07-11 青海师范大学 水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法
US20140071826A1 (en) * 2012-09-05 2014-03-13 Thales Transmission method in an ad hoc multi-hop ip network
US20180302172A1 (en) * 2015-10-16 2018-10-18 Universita' Degli Studi Di Roma "La Sapienza" Method for managing in an adaptive and joint way the routing policy and the retransmission policy of a node in an underwater network, and means for its implementation
CN108809691A (zh) * 2017-04-28 2018-11-13 波音公司 延迟和中断容忍网络中的通信业务优化和模糊化
CN109617937A (zh) * 2017-10-04 2019-04-12 波音公司 用于无人驾驶水下交通工具的安全且容断通信
CN108429591A (zh) * 2017-11-13 2018-08-21 西北工业大学 一种适用于深海信道的多载波水声通信方法
KR20190062921A (ko) * 2017-11-29 2019-06-07 국민대학교산학협력단 심리스 ｄｔｎ 프로토콜을 사용한 수중통신 장치 및 그 통신방법
CN108718226A (zh) * 2018-05-08 2018-10-30 天津大学 一种水下长延时传感器网络传输层数据传输方法
KR102242664B1 (ko) * 2019-11-12 2021-04-20 한국해양과학기술원 3d 수중 음향센서 네트워크에서의 성능 최적화 장치 및 그 장치의 구동방법
CN111866982A (zh) * 2020-06-19 2020-10-30 青海师范大学 一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法
WO2022000435A1 (zh) * 2020-06-29 2022-01-06 浙江大学 水下传感器自组网多路径传输纠删编码块分配方法和装置
CN113301032A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 西北工业大学 一种基于Q-Learning的水声网络MAC协议切换方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGLU YAN; TIANLONG MA; CHENYU PAN; YANAN LIU; SONGZUO LIU: "Statistical analysis of time-varying channel for underwater acoustic communication and network", 《2021 INTERNATIONAL CONFERENCE ON FRONTIERS OF INFORMATION TECHNOLOGY (FIT)》 *
张金华;李德识;: "水声信道容延容断网络系统设计与实现", 计算机工程与应用, no. 24 *
王剑，梁斌，薛飞: "一种基于白噪声EMD分解统计特性的水声信号去噪方法", 《四川兵工学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115550084A (zh) * 2022-10-09 2022-12-30 哈尔滨工程大学 基于水下混合通信的并联触发式光纤收发唤醒系统及方法
CN115550084B (zh) * 2022-10-09 2023-05-30 哈尔滨工程大学 基于水下混合通信的并联触发式光纤收发唤醒系统及方法

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