[發明專利]高數據包投遞率與能量有效性的水聲傳感器網絡傳輸方法

有效

• 申請號: 202010481041.2
• 申請日: 2020-05-31
• 公開（公告）號: CN111641990B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 趙瑞琴;李寧;申曉紅
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/12;H04W40/14;H04W84/18
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發明提供了一種高數據包投遞率與能量有效性的水聲傳感器網絡傳輸方法，包括鄰居信標交互機制，幫助傳感器節點獲取鄰居數目，用于路由協議；機會路由機制，基于鄰居數目規劃最優數據包傳輸路徑；沖突容忍的MAC協議，對不同類型包安排對應的優先級與發射功率，減少對重要包的沖突。本發明使用極低的控制開銷，在高中斷率的水聲信道下保證投遞率的同時抑制數據包重復傳輸或進入通信空區；通過提高INFO的功率來增加INFO的覆蓋范圍，有效解決基于接收方的機會路由面臨的隱藏終端問題，在MAC層將INFO的發射優先級設定高于數據包，降低MAC層的沖突，在保證數據包投遞率的同時也有效提升傳感器節點的能量利用率，因此能夠有效延長網絡壽命。

技術領域

本發明涉及水聲傳感器網絡技術領域，尤其是一種水聲傳感器網絡MAC層與路由層兩個領域，具體為一種適合水聲傳感器網絡的傳輸方法。

背景技術

嘈雜的海洋背景噪聲以及水聲信道的時變空變特性為水聲傳感器網絡協議的設計帶來極大的挑戰。一方面，水聲傳感器節點能量受限但發射功率高，因此為了保證網絡的運行時長，需要在抑制開銷與重傳的基礎上提高數據包投遞率；另一方面，水聲信道的時變空變特性導致傳輸鏈路容易隨機中斷，進而產生通信空區。此外水聲信號的長傳播時延也會引起復雜且不確定的傳輸沖突。

目前國內外為了提高水聲傳感器網絡的數據包投遞率以及延長網絡壽命，進行了大量的研究。一些水聲傳感器網絡MAC協議，通過時隙分配或距離感知、隨機接入的方式來減少不確定性沖突。然而，這些方式會產生大量的控制開銷與重傳。OR(OpportunisticRouting，機會路由)協議通過選擇一個RCS(Relay Candidate Set，中繼候選集)來動態形成從源到目的的路徑。OR利用信道的廣播特性，有效解決水聲鏈路中斷問題，提高數據包投遞率。然而，OR會潛在地引起數據包冗余傳輸，導致額外占用能量與帶寬資源。

為了解決OR中數據包冗余傳輸問題，基于發送方的OR協議在轉發節點處選擇與控制RCS的大小，例如GEDAR。在GEDAR中，轉發節點將鄰居劃分為多個簇，要求簇內每個節點都在其它節點的通信范圍內，之后選擇最優簇作為RCS。然而GEDAR要求節點維持鄰居信息，因此會產生大量額外的控制開銷。另外，GEDAR在稀疏型水聲網絡中具有很低的跳間成功傳輸概率，因此需要一種能耗很大的節點移動方法來恢復空區。基于接收方的OR協議在接收節點處決定是否屬于RCS，例如VBF。VBF是一種基于地理信息的OR協議，只在從源到目的節點間的虛擬管道中選擇中繼，因此協議性能受節點密度的影響很大，在節點密度低時面臨通信空區問題，在節點密度高時又面臨重復傳輸問題。

因此，如何在惡劣水聲環境中保證高數據包投遞率的同時提高節點能量利用率進而延長網絡壽命，是水聲傳感器網絡傳輸機制的研究關鍵。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種高數據包投遞率與能量有效性的水聲傳感器網絡傳輸方法。為了解決水聲傳感器網絡中的沖突與中斷問題，提高數據包投遞率，同時延長網絡壽命。針對水下水聲信道帶寬與節點能量受限等特點，本發明從MAC層與路由層入手提出一種新的高數據包投遞率、能量有效性的傳輸機制，簡稱HPEP(High Packetdelivery ratio and Energy efficient Protocol)。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案的具體步驟如下：

本發明對應的傳輸機制用于傳感器節點的數據包轉發，包括三個部分：1)鄰居信標交互機制，幫助傳感器節點獲取鄰居數目，用于路由協議；2)機會路由機制，基于鄰居數目規劃最優數據包傳輸路徑；3)沖突容忍的MAC協議，對不同類型包安排對應的優先級與發射功率，減少對重要包的沖突；

一、鄰居信標交互機制；

網絡中所有傳感器節點在本地建立以下三個列表：

Q₀:鄰居列表；存儲傳感器節點一跳范圍內的鄰居信息，列表格式如下：