[發明專利]一種低功耗海洋傳感數據回傳方法

有效

• 申請號: 202010629285.0
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111885527B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 房建;覃振權;王雷;盧炳先;朱明;王治國
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W84/18;G08C17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于無線通信技術領域，公開了一種低功耗海洋傳感數據回傳方法，包括針對靜態環境的LoRa多跳網絡拓撲的部署，路由算法，數據包沖突檢測和故障恢復。本發明所述的海洋傳感數據回傳方法可以解決現有技術中海洋數據傳輸速度慢、功耗高、覆蓋近的問題，有效降低單點故障、數據沖突帶來的性能損失，從而提高海洋傳感信息的時效性和利用率。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體地，涉及一種低功耗海洋傳感數據回傳方法。

背景技術

海洋傳感數據對于海洋環境保護，海洋動物探索，海上搜救等都有著極其重要的意義。數據的采集和回傳通常需要由傳感器和收發裝置組成。隨著新型材料和防水技術的不斷提升，感知技術已經不再是制約其發展的瓶頸。

然而，目前可以應用在海上的數據傳輸技術都存在明顯的弊端。基于聲學的技術被廣泛用于水下的傳輸，但是由于其速度的限制不會被用在空氣中的傳輸。基于802.11協議的Wi-Fi和802.15.4的ZigBee在許多場景中廣泛使用，但是其單點覆蓋不超過百米，很難用于海面的應用，而且其能耗較高，維護成本高。基于4G/5G網絡的方法成本更高，對于運營商來說在海面上部署大量基站是不現實的，電池壽命問題是制約其室外使用的最大問題。基于衛星的辦法除軍事等一般的應用很難獲取權限或負擔不起高額的費用。本發明采用的低功耗廣域網具有超低功耗和單點遠距離覆蓋的特點，但在目前的標準和應用中，其采用的是星型拓撲，即終端傳感節點直接向網關發送數據，這樣的方案可以將覆蓋范圍擴大到以網關為中心，單點傳輸距離為半徑的圓上，仍然無法滿足海洋上的通信覆蓋。有一些研究也建立了線性或樹形的拓撲實現中繼，不過其存在著單點故障，數據沖突等問題，在布局上也缺乏靈活性。因此這些方案都不完全適合海洋上的傳感數據回傳。

(Abrardo 2019)在意大利的一個山洞里建立了一種線性的LoRa多跳網絡，目的是將山洞內的關鍵傳感數據發送到洞外。根據對環境的測量，約每200米設置一個節點，并僅與前后鄰居通信，因此實現了一個幾公里的接力式傳輸。然而一旦有一個節點損壞或電量耗盡，就必須人工干預。

(Barrachina 2017)定義了三種數據上行模式并提出了稱作“最佳架構”的多跳傳輸方法，即在傳輸中總是選擇能耗最低的可達點。然而，這僅僅是將線性的解決方案堆積起來，沒有協作和交互。仍然不能解決故障問題。

(LoRa Alliance 2015，SEMTECH 2015)定義了基于純ALOHA的沖突解決方案，其允許沖突的發生，并回退一定的時間重傳。

(Rachkidy 2018,2019)設計了復雜的MAC層協議，在沖突已經發生的情況下對已經疊加的數據進行解析。這種方案不需要考慮傳輸時的問題，但是解析運算為節點帶來了較大的工作量，不適合本發明中所涉及的海洋數據回傳。

發明內容

有鑒于此，本發明提出了一種基于LoRa多跳網絡的海洋傳感數據回傳方法，以實現低功耗的海面數據超遠距離傳輸，解決目前海洋上關鍵傳感數據傳輸距離短，延遲高等問題，可廣泛用于如圖1所示海洋環境保護，海洋動物探索，海上搜救等。本發明采用的網絡拓撲結構可以解決目前方案中覆蓋范圍小的問題，并有效解決網絡傳輸中的沖突、故障等問題，從而提升網絡的吞吐率、接收率等關鍵性能。

本發明的技術方案：

一種低功耗海洋傳感數據回傳方法，步驟如下：

首先，針對可控的靜態環境，即任意選擇節點位置，且節點位置一旦部署后保持不動；使用具備收發功能的LoRa節點，工作頻率支持433MHz、868MHz等非認證頻段，節點支持外接全向或定向天線；

在海岸的陸地上等距離放置LoRaWAN網關，方便檢修和更換，同時保證供電的穩定；假設所有在陸地上的網關均在一條直線上，并定義該直線所在方向為水平方向(坐標系的橫軸)；垂直于水平方向的為豎直方向(坐標系的縱軸)，且由海面指向海岸的數據回傳方向為上行方向(縱坐標值減少的方向)；