一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法技术

一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法，涉及水下通信。利用水声信道大时延的传输特性，建立节点间数据发送的协调机制，合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以及每个节点的发送功率大小，在节点i发送完数据块j后，将先接收来自节点i‑1的下一个数据块j‑1，再接收来自节点i+1的反馈信号，若收到确认信号ACK则节点i直接开始发送来自节点i‑1的下一个数据块j‑1，否则节点i重传原数据块j，由此可使得节点i的监听状态时间得到充分利用。能在保证水声数据多跳传输系统误码性能的前提下，有效降低系统传输的平均端到端时延；利用水声网络节点监听的空闲时间发送和接收水声数据；平均端到端时延，随信噪比的变化比较缓慢。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下通信，尤其是涉及基于水声网络多跳协调机制的一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法。
技术介绍
由于水声信道固有的时-空-频变特性，同时存在窄带、高噪、强多途干扰、长传输时延、大随机起伏等特征，被普遍认为是迄今为止最具挑战的无线信道之一。近年来，水声通信及其网络技术因其在海洋信息应用领域的不断发展而取得了很大的进步。随着认识、开发和保护海洋的深入，传统独立的点对点海洋探测、信息采集等已经开始向网络化转变，水下传感器网络、水声预警网络、海底观测网络的需求愈来愈迫切，已成为未来水声通信发展的重要方向。因此，研究高可靠、低功耗的水声网络具有重要的学术意义和应用前景。目前，适应水声信道环境的高效节能的水声网络协议是制约水声通信网络发展的关键因素之一，国内外对水声网络传输协议的研究主要包括减少能量损耗、降低时延、避免冲突等几个方面。作为水声网络的基本单元，水声网络节点长期工作在水下，能量供应严重受限。由水声信道固有属性(高噪、多途、长时延传输)引发的节点通信距离及节点能量受限等缺陷，决定了节点间的可靠通信需要经过中间节点的中继传输来完成，这促进了多跳水声网络的发展。与直接进行长距离通信相比，通过短距离多跳实现长距离通信的系统消耗更低的能量(GregoryJ.PottieandWilliamJ.Kaiser.Embeddingtheinternet:wirelessintegratednetworksensors[J].CommunicationsoftheACM,2000,43(5):51–58.)，且对水声环境来说，通过中继节点的协作可有效地提高水声通信系统的带宽利用率和通信误码性能，也可提高水声通信系统容量，同时扩大覆盖范围，被认为是极具发展潜力的下一代高速水声通信与网络的解决方案(W.Zhang,etal.AnalysisofaLinearMultihopUnderwaterAcousticNetwork[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2010,35(4):961-970.)。但是，随着中继节点跳数的增加，其端到端时延也会随之增加，且能量受限使得重发次数受到限制。因此，多跳水声网络研究中，不仅要考虑水声信道、能量供应的影响，也要考虑由于中继节点的存在，信息传输过程中会受到网络中其它节点通信串扰的影响，这使得水声网络的规模和性能都受到很大限制。在当前的水声网络设计中，传统的端到端、逐跳寻径处理等方式，在复杂的水下环境中是低效的。通常，在现场测试中，除了传输时延和传播时延以外，还存在其他三种类型的时延，即调制解调器状态转换时延、调制解调器同步时延和调制解调器的数据转发时延。这三种时延在水声网络的可靠数据传输中扮演着重要角色，例如由于水声网络调制解调器的半双工工作模式，发送-接收状态之间的转换时延时间范围为数百毫秒到数秒。此外，半双工的工作模式使节点存在发生收-发冲突和收-收冲突可能。因此，为解决上述问题，美国康涅狄格大学提出了基于编码的实用多跳可靠数据转发(PracticalCoding-basedMulti-hopReliableDataTransfer，简称为PCMRDT)方法，该方法通过结合随机线性编码和选择重传提高可靠性和效率，并利用多跳协调机制来避免碰撞，减少平均端到端时延(Mo,Haining,etal.PracticalCoding-basedMulti-hopReliableDataTransferforUnderwaterAcousticNetworks.InProc.ofIEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM),Anaheim,CA,3-7Dec.2012.)。但是上述方法中各个节点在传输数据时，等待响应的时间是空闲的，这使得单位时间内传输的数据量减少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供可降低现有多跳水声网络数据传输平均端到端时延，依据水声信道大时延的属性，通过协调节点间的数据发送机制，在节点监听状态下的空闲时段内发送下一个数据块以减少系统整体的端到端时延，使得节点监听状态的时间得到充分利用，在保证水声数据多跳传输系统误码性能的前提下，可有效降低系统传输平均端到端时延的一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法。本专利技术包括以下步骤：1)各个节点之间等间距布放，每个节点发送功率强度控制在只能让紧邻的两个节点足够监听到、非紧邻节点无法监听到的大小；2)每个节点均工作在半双工状态，即任意节点处于发送状态、或处于监听状态；且规定，每个节点发送完一个数据块后，立即从发送状态转为监听状态；反馈信号为正确接收信号ACK或者未正确接收信号NAK；3)设定RTS/CTS等握手协议已经解决，且在传输中途不考虑RTS/CTS握手协议；4)设任意三个节点分别为节点i-1、节点i及节点i+1，节点i-1和节点i上各自待发送的数据块分别为j-1和j。数据块j-1和数据块j的传输方向分别为节点i-1向节点i，以及节点i向节点i+1；5)节点i-1和节点i均处于发送状态，节点i+1均处于监听状态；此时，节点i将其上待发送的数据块j全部发送给节点i+1，随后节点i立即转为监听状态；6)节点i-1发送其上待发送的数据块j-1，随后节点i-1立即转为监听状态；7)节点i先接收来自节点i-1的下一个数据块j-1，再接收来自节点i+1关于是否收到数据块i的反馈信号,然后将更新的反馈信号返回给节点i-1；8)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以及每个节点的发送功率大小，确保节点i在收到节点i+1的反馈信号之前，能够完全接收来自节点i-1的数据库j-1，并不产生冲突；即，需要对数据长度的时间与距离的关系进行计算，保证发送节点发送的数据落在接收节点的空闲区域；9)若节点i+1正确接收数据块j，则发送正确接收信号ACK到节点i，否则发送未正确接收信号NAK给节点i并请求重传数据块j，直到节点i+1正确接收数据块j或者达到最大重传次数为止。在步骤7)中，若节点i返回给节点i-1的反馈信号为NAK，则节点i-1重传数据块j-1的时间视节点i收到节点i+1的反馈信号的情况而定，即根据节点i是否需要向节点i+1重传数据块j的情况而定。本专利技术依据水声信道大时延的固有传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以及每个节点的发送功率大小等协调机制，提出利用传输空闲时间传输下一数据块、进一步减小系统平均端到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法，其特征在于包括以下步骤：1)各个节点之间等间距布放，每个节点发送功率强度控制在只能让紧邻的两个节点足够监听到、非紧邻节点无法监听到的大小；2)每个节点均工作在半双工状态，即任意节点处于发送状态、或处于监听状态；且规定，每个节点发送完一个数据块后，立即从发送状态转为监听状态；反馈信号为正确接收信号ACK或者未正确接收信号NAK；3)设定RTS/CTS握手协议已经解决，且在传输中途不考虑RTS/CTS握手协议；4)设任意三个节点分别为节点i‑1、节点i及节点i+1，节点i‑1和节点i上各自待发送的数据块分别为j‑1和j，数据块j‑1和数据块j的传输方向分别为节点i‑1向节点i，以及节点i向节点i+1；5)节点i‑1和节点i均处于发送状态，节点i+1均处于监听状态；此时，节点i将其上待发送的数据块j全部发送给节点i+1，随后节点i立即转为监听状态；6)节点i‑1发送其上待发送的数据块j‑1，随后节点i‑1立即转为监听状态；7)节点i先接收来自节点i‑1的下一个数据块j‑1，再接收来自节点i+1关于是否收到数据块i的反馈信号,然后将更新的反馈信号返回给节点i‑1；8)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以及每个节点的发送功率大小，确保节点i在收到节点i+1的反馈信号之前，能够完全接收来自节点i‑1的数据库j‑1，并不产生冲突；即，需要对数据长度的时间与距离的关系进行计算，保证发送节点发送的数据落在接收节点的空闲区域；9)若节点i+1正确接收数据块j，则发送正确接收信号ACK到节点i，否则发送未正确接收信号NAK给节点i并请求重传数据块j，直到节点i+1正确接收数据块j或者达到最大重传次数为止。...

【技术特征摘要】
1.一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)各个节点之间等间距布放，每个节点发送功率强度控制在只能让紧邻的两个节点足够
监听到、非紧邻节点无法监听到的大小；
2)每个节点均工作在半双工状态，即任意节点处于发送状态、或处于监听状态；且规定，
每个节点发送完一个数据块后，立即从发送状态转为监听状态；反馈信号为正确接收信号ACK
或者未正确接收信号NAK；
3)设定RTS/CTS握手协议已经解决，且在传输中途不考虑RTS/CTS握手协议；
4)设任意三个节点分别为节点i-1、节点i及节点i+1，节点i-1和节点i上各自待发
送的数据块分别为j-1和j，数据块j-1和数据块j的传输方向分别为节点i-1向节点i，以
及节点i向节点i+1；
5)节点i-1和节点i均处于发送状态，节点i+1均处于监听状态；此时，节点i将其上
待发送的数据块j全部发送给节点i+1，随后节点i立即转为监听状态；
6)节点i-1发送其上待发送的数据块j-1，随后节点i-1立即转为监听状态；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友淦，汤煜荧，金晓婷，许肖梅，黄身钦，李丽君，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35