CN114598398A - 基于自适应重传的水声网络数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水声组网技术领域，具体涉及一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，包括如下步骤：假定网络内信道是双向对称的，网络内源节点需向另一目的节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送，如果不存在，则进行自主路由建立，建立一条通往目的节点的路径；路由建立成功后，源节点将数据重新打包发送至目的节点，可以适应复杂多变的水下环境，提高网络传输信息的可靠性，提升数据传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及水声组网技术领域，具体涉及一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法。
背景技术
对海洋环境的持续探索需要水下传感器网络来支持，水声通信目前是能够在水下进行长距离通信的主要通信方式，而水下环境的多变性使得水声传感器网络间数据传输面临严峻挑战。
动态源路由(DSR)协议是一种陆上无线网络常用的路由协议，可实现网络中源节点到任意一个目的节点的数据传输。使用该协议进行数据传输前，需通过路由发现过程，建立一条由源节点到目的节点的路由，之后按新建立的路由进行数据传输。目前在水声环境下通常使用该协议进行，路由发现过程中目的节点需向源节点发射回复信号，但是由于水下环境的多变性，回复信号可能无法到达源节点，造成路由发现过程失败，影响数据传输效率。
因此，需要设计出一种适应水下环境的数据传输方法，以提升水声传感器网络信息获取效率。基于此，本申请针对如何提高水下传感器网络传输信息的问题，提出了一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，可以适应复杂多变的水下环境，提高网络传输信息的可靠性，提升数据传输效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，包括如下步骤：假定网络内信道是双向对称的，网络内源节点需向另一目的节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送，如果不存在，则进行自主路由建立，建立一条通往目的节点的路径；路由建立成功后，源节点将数据重新打包发送至目的节点。
作为一种优选方案，所述自主路由建立具体包括如下：
任一节点X查看自身状态，监测是否有物理层控制数据包到达；
在有物理层控制数据包到达时，判断控制数据包类型；
在控制数据包类型为路由请求包RREQ时，检查自身是否为目的节点，如果自身不是目的节点，则再检查自身是否有到目的节点的有效路由，如果没有有效路由，则把自身节点号更新到请求包RREQ中的路由缓存中，并将请求包RREQ的跳数信息加1，然后广播出去；如果自身为目的节点或自身有到目的节点的有效路由，则根据路由请求包RREQ里保存的转发节点信息，生成路由应答包RREP，并按照路由请求包RREQ中路由缓存的反向路径将路由应答包RREP发送给源节点；
在控制数据包类型为路由应答包RREP时，检查自身是否为路由应答包RREP的目的节点，在自身不是目的节点时，检查自身是否为路由应答包RREP的下一跳转发节点，在自身是下一跳转发节点时，按照路由应答包RREP中路由缓存的反向路径向目的节点转发应答包RREP；在自身不是下一跳转发节点时，返回初始监测步骤；
在自身是目的节点时，向上一跳转发节点回复ACK，并更新自身路由表，发送缓存中的数据。
作为一种优选方案，路由建立过程中，所有节点进行网络监听(启动网络监听算法)，自主监听并判断网络状态，如果发现异常，则发送控制命令，重新进行路由建立，以提高路由建立成功率。
作为一种优选方案，在进行上述自主路由建立过程时，其中，
按照路由请求包RREQ中路由缓存的反向路径向源节点发送路由应答包RREP的步骤结束后，进行所述网络监听步骤；
按照路由应答包RREP中路由缓存的反向路径向目的节点转发应答包RREP的步骤结束后，进行所述网络监听步骤。
作为一种优选方案，所述网络监听步骤具体为：
节点X向下一跳转发节点发送路由应答包RREP后，监听下一跳节点是否发送路由应答包RREP，或下一跳节点是否回复ACK，如果超过门限时间未监听到路由应答包RREP且未收到ACK，则节点X重新向下一跳转发节点发送路由应答包RREP，并将转发次数加1；如果在规定时间内监听到路由应答包RREP或收到ACK，或转发次数大于等于3，则网络监听结束。
与现有技术相比，本发明能实现如下有益技术效果：
本发明提出一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，网络内源节点需向另一目的节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送，如果不存在，则进行自主路由建立，建立一条通往目的节点的路径；路由建立成功后，源节点将数据重新打包发送至目的节点，可以适应复杂多变的水下环境，提高网络传输信息的可靠性，提升数据传输效率。
另外，本发明一种优选方案，路由建立过程中，加入了网路监听，网络内的中继节点不需要主动发送信号，仅靠监听，便可判断出RREP信号是否到达下一跳节点，若未到达，则中继节点向下一跳节点重新发送RREP信号，以提高路由建立成功率和信道利用率，缩短路由建立时间，进一步提高数据传输效率。
附图说明
图1为本实施例自主路由建立方法工作流程示意图；
图2为本实施例网络监听算法流程示意图；
图3为本实施例源节点发送路由请求信号示意图；
图4为本实施例中继节点转发路由请求信号示意图；
图5为本实施例转发路由请求信号的节点统计结果；
图6为本实施例路由应答信号传输过程；
图7为本实施例转发路由应答信号的节点统计结果；
图8为通过本实施例方法建立的路由表；
图9为本实施例节点重发RREP示意图；
图10为本实施例方法与现有技术动态源路由(DSR)统计结果对比。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
请参阅图1，图1为自主路由建立方法工作流程示意图；
步骤1)：任一节点X查看自身状态；
步骤2)：节点X发现有物理层数据包到达；
步骤3)：到达数据包为路由建立过程的控制数据包；
步骤4)：节点X检查控制数据包类型，如果是路由请求包(RREQ)，则转到步骤5)，如果为路由应答包(RREP)，则转到步骤10)；
步骤5)：节点X检查自身是否为第一次收到RREQ，如果是，则转到步骤6)，如果不是，则转到步骤14)；
步骤6)：更新路由信息，并检查自身是否为RREQ包的目的节点，如果是，则转到步骤9)，如果不是，转到步骤7)；
步骤7)：检查自身是否有到RREQ目的节点的有效路由，有则转到步骤9)，否则转到步骤8)；
步骤8)：节点把自身节点号更新到RREQ中的路由缓存中，并将RREQ的跳数信息加1，然后广播出去，转到步骤14)；
步骤9)：节点X根据路由请求里保存的转发节点信息，生成RREP，并按照RREQ中路由缓存的反向路径发送给源节点，并启动网络监听算法，算法完成后，转到步骤14)；
步骤10)：检查自身是否为RREP包的目的节点，如果不是，则转到步骤11)，如果是，转到步骤13)；
步骤11)：检查自身是否为RREP包的下一跳转发节点，如果是，则转到步骤12)，如果不是，转到步骤1)；
步骤12)：节点X按照反向路径，向RREP目的节点转发RREP，并启动网络监听算法，算法完成后，转到步骤14)；
步骤13)：节点X向上一跳转发节点发送ACK，并更新自身路由表，发送缓存中的数据；
步骤14)：转到步骤1)。
请参阅图2，图2为本实施例网络监听算法流程示意图，其中网络监听算法为：
节点X向下一跳转发节点发送RREP后，监听下一跳节点是否发送RREP，或下一跳节点是否回复ACK，如果超过门限时间未监听到RREP且未收到ACK，则节点X重新向下一跳转发节点发送RREP，并将转发次数加1；如果在规定时间内监听到RREP或收到ACK，或转发次数大于等于3，则网络监听算法结束。其中门限时间γ＝ts+2×τmax，其中ts为RREP包的信号长度，τmax为网络内两节点间的最大传播时延。
下面结合在东极岛附近海域的海试试验和结果对本发明进行详细说明。
在东极岛附近海域布设23节点水声网络，其中潜标18个(#46、#50、#41、#39、#49、#35、#48、#44、#43、#32、#51、#42、#53、#57、#54、#47、#37、#13)，浮标5个(#2、#3、#4、#5、#6)，浮标主要用于监测网络状态。在实验过程中，网络内#2源节点需要向#57目的节点发送数据，#2源节点检查自身不存在到达目的节点的路由，故按照图1所示的流程，#2源节点发送RREQ信号，如图3所示。中继节点(#39节点、#13节点、#48节点、#3节点、#32节点、#46节点、#43节点、#6节点、#51节点、#4节点、#5节点和#42节点)收到RREQ后，更新并转发RREQ信号，图4是中继节点(#4和#5)转发RREQ示意图。图5为浮标监测到的路由请求过程中参与转发RREQ的中继节点信息。
如图6和图7所示，#57目的节点收到RREQ后，建立起去往#2源节点的路由(#2--#3--#57)后，产生路由应答信号(RREP)，RREP按#57--#3--#2的顺序返回至#2节点，此时，#2节点就建立起去往#57节点的路由。#57节点监测到来#3节点发送的RREP，故#57节点没有重新发送RREP，#3节点监测到来#2节点发送的ACK，#3节点也没有重新发送RREP。图8为#2节点建立的路由表，其中包含目的节点分别为#57和#3节点的三条路由。
海试试验过程中为统计本实施例所提方法的性能多次发起源节点到目的节点的路由建立过程。图9为某次路由建立过程中，#3节点监听重传RREP的过程，图中黑色矩形框内信息表明，#3浮标在两个不同的时刻向#2发送RREP，22:28:14，#3第一次给#2发送RREP后，未监测到#2号回复的ACK，所以在22:28:58，#3会第二次给#2发送RREP，之后#2节点收到了#3节点发送的RREP，路由建立成功。#3重传RREP，保证了本次路由建立过程的成功，避免#2源节点重新发起路由建立过程，缩短路由建立时间。
图10为实施例方法与DSR统计对比结果，其中包含两条测试路径，除了前面介绍的#2-#57外(该路径测试41次)，还测试了#2-#42，此路径测试11次。从图中可以看出本实施例方法在路由建立成功率上较传统DSR协议有较大幅度提升，在两条路径上，与DSR协议相比，本实施例方法的路由建立成功率分别提高45.4％和43.9％。在平均路由建立时间上，在两条路径上，与DSR协议相比，本实施例方法的路由建立成功率分别提高19.2％和21.5％。从图10结果可以看出本发明方法可有效提高路由建立成功率，缩短路由建立时间。
由此可见，本实施例路由建立过程中，网络内的中继节点不需要主动发送信号，仅靠监听，便可判断出RREP信号是否到达下一跳节点，若未到达，则中继节点向下一跳节点重新发送RREP信号，以提高路由建立成功率和信道利用率，缩短路由建立时间。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：假定网络内信道是双向对称的，网络内源节点需向另一目的节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送，如果不存在，则进行自主路由建立，建立一条通往目的节点的路径；路由建立成功后，源节点将数据重新打包发送至目的节点。
2.如权利要求1所述的基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，所述自主路由建立具体包括如下：
任一节点X查看自身状态，监测是否有物理层控制数据包到达；
在有物理层控制数据包到达时，判断控制数据包类型；
在控制数据包类型为路由请求包RREQ时，检查自身是否为目的节点，如果自身不是目的节点，则再检查自身是否有到目的节点的有效路由，如果没有有效路由，则把自身节点号更新到请求包RREQ中的路由缓存中，并将请求包RREQ的跳数信息加1，然后广播出去；如果自身为目的节点或自身有到目的节点的有效路由，则根据路由请求包RREQ里保存的转发节点信息，生成路由应答包RREP，并按照路由请求包RREQ中路由缓存的反向路径将路由应答包RREP发送给源节点；
在控制数据包类型为路由应答包RREP时，检查自身是否为路由应答包RREP的目的节点，在自身不是目的节点时，检查自身是否为路由应答包RREP的下一跳转发节点，在自身是下一跳转发节点时，按照路由应答包RREP中路由缓存的反向路径向目的节点转发应答包RREP；在自身不是下一跳转发节点时，返回初始监测步骤；在自身是目的节点时，向上一跳转发节点回复ACK，并更新自身路由表，发送缓存中的数据。
3.如权利要求2所述的基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，路由建立过程中，所有节点进行网络监听，自主监听并判断网络状态，如果发现异常，则发送控制命令，重新进行路由建立。
4.如权利要求3所述的基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，在进行上述自主路由建立过程时，其中，
按照路由请求包RREQ中路由缓存的反向路径向源节点发送路由应答包RREP的步骤结束后，进行所述网络监听步骤；
按照路由应答包RREP中路由缓存的反向路径向目的节点转发应答包RREP的步骤结束后，进行所述网络监听步骤。
5.如权利要求3所述的基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，所述网络监听步骤具体为：
节点X向下一跳转发节点发送路由应答包RREP后，监听下一跳节点是否发送路由应答包RREP，或下一跳节点是否回复ACK，如果超过门限时间未监听到路由应答包RREP且未收到ACK，则节点X重新向下一跳转发节点发送路由应答包RREP，并将转发次数加1；如果在规定时间内监听到路由应答包RREP或收到ACK，或转发次数大于等于3，则网络监听结束。
6.如权利要求5所述的基于自适应重传的水声网络数据传输方法，其特征在于，所述的门限时间γ＝ts+2×τmax，其中ts为路由应答包RREP信号长度，τmax为网络内两节点间的最大传播时延。
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