一種用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路徑協(xié)作通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明水聲通信網(wǎng)絡(luò)，具體涉及一種用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路徑協(xié)作通信方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋科學(xué)和海洋開發(fā)的發(fā)展，水聲通信技術(shù)的研宄越來越受到重視，其中水 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的研宄也成為前沿?zé)狳c(diǎn)。
[0003] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在一定水下區(qū)域內(nèi)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)獲取水下信息，并對(duì)水 下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng)，最終通過水面浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以無線的形式把在覆蓋區(qū)域中所 獲取的信息納入岸上常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送給觀察者的水下子網(wǎng)。
[0004] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用時(shí)，往往具有稀疏拓?fù)浜投ㄏ騻鬏數(shù)奶攸c(diǎn)：①由于要在海 水中長(zhǎng)期工作，水下傳感器節(jié)點(diǎn)都必須能夠抗壓、防滲漏與防腐蝕，節(jié)點(diǎn)的制造成本偏高， 因此，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限的情況下，為了監(jiān)視盡可能大的區(qū)域，水下傳感器的布置比較稀疏， 即節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)較少。②水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是由水下傳感器節(jié)點(diǎn)和水面浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組 成，水下傳感器節(jié)點(diǎn)的信息流主要是定向匯聚到浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由浮標(biāo)無線電轉(zhuǎn)發(fā)到岸 基或船基控制中心。
[0005] 可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)水聲通信是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層基礎(chǔ)，然而水聲信道遠(yuǎn)不是理 想信道，是一個(gè)時(shí)變的時(shí)頻雙擴(kuò)散信道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能并不穩(wěn)定，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稀疏布放的 情況下，一旦某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信鏈路不穩(wěn)定，就會(huì)造成整個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延增大甚至網(wǎng) 絡(luò)癱瘓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于，為了解決因?yàn)辄c(diǎn)對(duì)點(diǎn)水聲通信不穩(wěn)定而引起的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)延增大甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓這一問題，而提供一種用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路徑協(xié)作通信方 法，將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與路由選擇結(jié)合起來，將物理層技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議聯(lián)合優(yōu)化，采用多路 徑協(xié)作的方法，獲取節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)的空間分集增益，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提高水聲通信的可靠 性，保證水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。這種用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路徑 協(xié)作通信方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟A，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播HELLO幀，HELLO幀含有字段：〈源 節(jié)點(diǎn)地址，距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，初始化序列號(hào)〉，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過接收、解析、再生和轉(zhuǎn)發(fā) HELLO幀，更新本地跳數(shù)、鄰節(jié)點(diǎn)地址及其跳數(shù)；
[0009] 步驟B，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，先發(fā)送PING幀， PING幀含有字段：〈源節(jié)點(diǎn)地址，備選下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量，備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表NHListD;
[0010] 步驟C，當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)收到PING幀后，如果該節(jié)點(diǎn)在PING幀的備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表 NHListl中，則返回ECHO幀，否則丟棄該P(yáng)ING幀，ECHO幀含有字段：〈源節(jié)點(diǎn)地址，接收信 噪比SNR，備選下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量，備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表NHList2,通信成功率列表SRList〉；
[0011] 步驟D，當(dāng)節(jié)點(diǎn)S收到所有返回的ECHO幀后，對(duì)NHList2的內(nèi)容進(jìn)行判斷：如果各 個(gè)NHList2之間存在交集U，則通過計(jì)算得到1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)S在發(fā)送 DATA幀之前，先發(fā)送WAKEl幀，用于通知中繼節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收后續(xù)的DATA幀，WAKEl含有字 段：〈匯聚節(jié)點(diǎn)地址，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量n，中繼節(jié)點(diǎn)列表RelayList，DATA幀源地址，DATA幀序 列號(hào)〉，如果各個(gè)NHList2之間不存在交集U，則通過計(jì)算得到唯一傳輸路徑，發(fā)送DATA幀；
[0012] 步驟E，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到WAKEl后，如果該節(jié)點(diǎn)在中繼節(jié)點(diǎn)列表RelayList中，則接收 后續(xù)的DATA幀，對(duì)DATA進(jìn)行解碼：如果不能正確解碼DATA幀，并且接收信噪比超過轉(zhuǎn)發(fā) 門限，則先發(fā)送一個(gè)短幀WAKE2,用于通知匯聚節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收后續(xù)的DATA幀，再將接收到 的DATA幀信號(hào)放大后轉(zhuǎn)發(fā)，WAKE2含有字段：〈匯聚節(jié)點(diǎn)地址，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量n，DATA幀源 地址，DATA幀序列號(hào)〉，如果DATA幀信噪比小于轉(zhuǎn)發(fā)門限，則放棄，如果能夠正確解碼DATA 幀，則返回ACKl幀，ACKl幀含有字段：〈匯聚節(jié)點(diǎn)地址，本地節(jié)點(diǎn)地址，DATA幀源地址，DATA 幀序列號(hào)，ACK類別〉，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)收到ACKl幀后，放棄接收其它中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的相同DATA 幀，當(dāng)其它中繼節(jié)點(diǎn)收到ACKl幀后，放棄轉(zhuǎn)發(fā)相同DATA幀，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到ACKl幀后，統(tǒng)計(jì) 歷史通信成功率；
[0013] 步驟F，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到WAKE2后，如果該節(jié)點(diǎn)是匯聚節(jié)點(diǎn)，則等待接收所有轉(zhuǎn)發(fā)的 DATA幀，通過對(duì)多個(gè)DATA幀接收信號(hào)進(jìn)行合并處理以提高解碼成功率，如果能夠正確解 碼，則返回ACK2幀，ACK2幀含有字段：〈匯聚節(jié)點(diǎn)地址，本地節(jié)點(diǎn)地址，DATA幀源地址，DATA 幀序列號(hào)，ACK類別〉，然后匯聚節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)DATA幀，重復(fù)步驟B到步驟F，直到DATA幀 到達(dá)浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如果不能正確解碼，則返回NACK幀，NACK幀含有字段：〈匯聚節(jié)點(diǎn)地址， 本地節(jié)點(diǎn)地址，DATA幀源地址，DATA幀序列號(hào)〉，中繼節(jié)點(diǎn)收到ACK2或NACK后轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié) 點(diǎn)S收到NACK幀后，重發(fā)計(jì)數(shù)器加1，重復(fù)步驟B到步驟F，直到重發(fā)計(jì)數(shù)器達(dá)到最大值，或 收到ACKl幀，或收到ACK2幀。
[0014] 更進(jìn)一步的，該方法具體步驟如下：
[0015] 步驟1 :在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播HELLO幀，HELLO幀含有字段：〈源節(jié) 點(diǎn)地址，距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)HopCount，初始化序列號(hào)〉；浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)HopCount等 于0,每次網(wǎng)絡(luò)初始化均有唯一的序列號(hào)；在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，節(jié)點(diǎn)收到HELLO幀后，將HELLO 幀的源節(jié)點(diǎn)地址添加在鄰節(jié)點(diǎn)表中，并記錄HopCount作為新添加的鄰節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，然后更 新源節(jié)點(diǎn)地址；判斷接收到的初始化序列號(hào)是否與本地存儲(chǔ)的初始化序列號(hào)相同：
[0016] 如果不同，更新本地初始化序列號(hào)，并且將本地跳數(shù)設(shè)置為HopCount加1，然后將 HopCount加1后繼續(xù)廣播HELLO幀；
[0017] 如果相同，記錄相應(yīng)的跳數(shù)HopCount，如果HopCount小于本地跳數(shù)，就將本地跳 數(shù)設(shè)置為HopCount加1，并將HopCount加1后繼續(xù)廣播HELLO幀，否則，丟棄該HELLO包， 這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就獲得了本地跳數(shù)、鄰節(jié)點(diǎn)地址及其跳數(shù)；
[0018] 步驟2:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，先發(fā)送PING幀， PING幀含有字段：〈源節(jié)點(diǎn)地址，備選下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量，備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表NHListl〉，備 選下一跳節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)表中跳數(shù)等于HC(S)減1的節(jié)點(diǎn)，HC(S)是節(jié)點(diǎn)S的跳數(shù)；
[0019] 步驟3 :當(dāng)節(jié)點(diǎn)Y收到PING幀后，如果節(jié)點(diǎn)Y在PING幀的備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表 NHListl中，則返回ECHO幀，否則丟棄該P(yáng)ING幀；ECHO幀含有字段：〈源節(jié)點(diǎn)地址，接收信噪 比SNR，備選下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量，備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表NHList2,通信成功率列表SRList〉，接 收信噪比SNR是由Y接收PING幀時(shí)計(jì)算得到的，備選下一跳節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)Y的鄰節(jié)點(diǎn)表中跳 數(shù)等于HC(Y)減1的節(jié)點(diǎn)，HC(Y)是節(jié)點(diǎn)Y的跳數(shù)，通信成功率列表SRList是Y與NHList2 中各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歷史成功通信率；
[0020] 步驟4 :當(dāng)節(jié)點(diǎn)S收到所有返回的ECHO幀后，對(duì)NHList2的內(nèi)容進(jìn)行判斷：
[0021] 如果各個(gè)NHList2之間存在交集U，計(jì)算權(quán)重因子：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路徑協(xié)作通信方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟A，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播肥LLO帖，肥LLO帖含有字段；< 源節(jié)點(diǎn)地 址，距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，初始化序列號(hào)〉，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過接收、解析、再生和轉(zhuǎn)發(fā)肥LLO帖， 更新本地跳數(shù)、鄰節(jié)點(diǎn)地址及其跳數(shù)； 步驟B，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，先發(fā)送PING帖，PING帖 含有字段；< 源節(jié)點(diǎn)地址，備選下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量，備選下一跳節(jié)點(diǎn)列表NHListl〉； 步驟C，當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)收到PING帖后，如果