专利名称：水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法
技术领域：
本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种UWSN网络通信协议体系模型架构方法。
背景技术：
无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Networks)将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们的信息获取和管控能力，在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，成为信息科学的重要研究领域；将传器网络应用到水环境中的新型网络形式-水下传感网络(UWSN UnderwaterWireless Sensor Networks)的研究与应用也逐渐受到各国部门、工业界、学术界、科研机构等极大关注，水下传感器网络直接细粒度的实时数据为有效解决水下生态监测提供重要保障基础。目前存在多种无线通讯协议，不同生产厂家在硬件平台、操作系统等方面没有统一的标准。ZigBee协议栈在物理层与数据链路层基于IEEE 802.15.4标准。IEEE802. 15. 4是为省电而设计的标准，要求短时间的数据传输操作，不能传输大量数据。IEEE802. 11无线通讯能够传送很大数据量，但是耗电量很多，不适用于长延时、低带宽、高错误率、有限能量、稀疏拓扑的UWSN网络要求，水声信道的独有特性使UWSN协议设计面临诸多挑战。目前UWSN研究正处于起步阶段，且多集中在路由和MAC层，针对UWSN的协议体系架构较少有人问津。迄今为止的UWSN研究大多基于传统的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层协议模型，基于该五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变、节点资源有限的UWSN环境，网络高效性只有通过跨层设计来实现。为了克服分层设计带来信息不能共享的短板，根据具体应用将从物理层、MAC层、再到路由、传输和应用层，从传输功率控制、信道编码、路由实现到可靠传输等采用跨层优化设计，将某一层的性能变化、运行状况、字段信息等向隶属其它层的协议汇报并使它层协议的决策做出合适调整，从而充分利用UWSN的有限资源，但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。UWSN传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂，UffSN网络亟需研究新型通信协议栈。
发明内容
W^Tift^^0JiIiij Micro-ANP (Micro-application/network transmission/physical)协议架构模型，将UWSN网络通信协议分为应用层、网络传输层和物理层，此外还包括一个综合管理平台，进行能量、位置等信息管理与节点控制；通过分析UWSN水声信道特性以及面临的技术挑战，提出了 Micro-ANP网络传输层协议设计使用PCDMA多址访问技术减少端到端的传播延时，使用基于应用优先级、节点剩余能量和级差信息实现差分Geo-routing路由，降低端到端的能量消耗和延时，使用适应性传输实现逐跳传输与端到端传输的可靠保障；针对UWSN网络的以数据为中心和有向通信等特点，设计了只包含10个字段且只有10字节(变长数据字段除外)的分组格式；基于水声传输的toick路径损耗、CDMA
多址接入和(Jl k，t)前向纠错码技术，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每数据bit能耗、最小化包的能量延时积为目标，采用MATLAB优化工具对UWSN包负载长度进行优化。
为了达到上述目的，本发明提供了水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于，包括下列几个组成部分
(I)迄今为止的UWSN研究基于传统五层协议模型物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。基于传统五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变以及节点能源有限的UWSN环境，网络的高效性只有通过跨层设计实现。但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。通过分析UWSN技术挑战、通信特点及传统协议栈的应用局限性，将传统五层模型的传输层、网络层和数据链路层功能合并为一层，提出包括应用层、网络传输层和物理层的 Micro-ANP协议分层模型。(2)Micro-ANP将传统TCP/IP、ZigBee等协议栈的数据链路、网络和传输层合并为网络传输层，将以上层次协议的主要功能集成在网络传输层实现，其中包括(a)用于降低高延迟、低带宽和高错误率信道数据冲突的可靠多址接入MAC协议-PCDMA(概率性CDMA); (b)基于优先级、节点级差、位差、能量等优化调度的差分Geo-routing路由协议，满足多种应用的不同服务要求，在延时、传输成功率和能耗之间进行折中；(c)使用适应性传输实现逐跳传输与端到端传输的可靠保障。其中逐跳传输基于FEC编码实现，端到端可靠传输实现则根据网络拓扑变化，在基于多路径的网络编码和基于应用的IDA算法之间动态调整。(3)针对UWSN网络的特点，设计了 Micro-ANP的网络传输层分组格式，包含流向、 发送节点级别、发送节点ID、(源/目的)地址分类、(源/目的)节点地址、分组ID、协议编号、负载长度、数据、校验码共10个字段，共10个字节(变长数据字段除外)。(4)考虑到UWSN网络传输层采用无竞争的PCDMA的MAC协议，包传输过程不存在冲突现象，基于水声传输的toick路径损耗公式、无竞争CDMA多址接入模型和前向纠错码技术，通过设定极大化包吞吐量、极小化每数据bit能耗、极小化资源消耗三个目标函数， 借助MATLAB优化工具求解得到包最佳负载长度。所述部分(1) Micro-ANP协议分层模型中各层协议与平台功能如下
(II)应用层协议包括图像、音视频、数据采集处理软件，并对非紧急属性数据执行应用层数据融合(ALDA)；
(12)网络传输负责路由转发、多址访问、可靠传输等系列问题；
(13)物理层提供简单健壮的信号调制、解调和无线收发技术。(14)综合管理平台包括能量、位置等综合管理，能量管理检测并维护节点自身与邻居节点的剩余能量信息，作为路由转发和调整发送功率决策参数之一，实现节能目标；位置管理管理节点位置信息，为监测数据提供地理位置，并为实现地理路由提供参数依据，此外综合管理还能基于SINK节点的控制信令对节点实施一定程度的管控。所述部分(3) Micro-ANP的网络传输层分组格式设计如下
(31) UWSN是以数据为中心的任务型网络，数据融合是UWSN网络的基本特色。由于数据融合，分组数据可来自多个传感器节点，端到端连接在UWSN网络失去原有作用，源和目的端口号字段也失去存在的必要。UWSN网络采用有向通信，上行分组以SINK节点为目的， 下行分组源自SINK节点，通常不存在传感器与传感器节点间的直接通信，因此在网络传输层格式中第一个bit为流向字段。(32)网络传输层格式的第二个字段为节点的级别字段，占8 bits。第三个字段为节点ID，占16bits。级别和ID字段对应发送节点(上一跳节点)的信息，这两个字段逐跳更新。(33) UWSN应用更关心监测数据的位置所在，有时并不关心这些数据源自哪个节点。因此，节点定位信息在UWSN网络至关重要，节点地址有位置和ID两种标识方式。第四个字段为地址分类，占lbit，用来指明源或目的节点地址采用位置标识还是节点ID ；其后的地址字段用来指明上行分组的源节点地址(位置或ID)或下行分组的目的地址(位置或ID),占 16bits。(34)分组ID字段用来区分发送节点的不同分组，占8bits。该字段由发送节点填充，因此逐跳改变。(35)协议编号(优先级)字段用来区分应用层协议，占6bits。不同的应用协议具有不同的优先级和QoS。(36)负载长度字段占8bits，表示分组中应用数据字段的长度；数据字段长度可变。FCS校验码长度为16bits，用来校验分组在传输过程中是否出现差错。所述部分(4) Micro-ANP网络传输层包最佳负载长度计算公式如下(41)水声传输的toick路径损耗公式(式1)
权利要求
1.一种水声传感器网络的Micr0-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于，它包括 将传统五层模型的传输层、网络层和数据链路层功能合并为网络传输层，再加上一个综合管理平台，构成Micro-ANP的三层协议层次；Micro-ANP的网络传输层协议组成及分组格式设计； UffSN包负载长度的优化设计。
2.如权利要求1所述的Micro-ANP三层协议模型架构，其特征在于，所述的Micro-ANP 三层协议模型由应用层、网络传输层和物理层组成；应用层协议包括图像、音视频、数据采集处理软件，并对非紧急属性数据执行应用层数据融合(ALDA)；网络传输层负责路由转发、 多址访问、可靠传输等系列问题；物理层提供简单健壮的信号调制、解调和无线收发技术； 另外，协议栈还包括一个综合管理平台，负责实现能量、位置等信息的综合管理和对节点的行为控制。
3.如权利要求1所述的Micro-ANP通信协议模型架构，其特征在于，所述的Micro-ANP 的网络传输层协议组成包括(1)用于降低延迟和冲突、减少重传的可 靠多址接入MAC 协议-PCDMA (概率性CDMA) ;(2)基于优先级、节点级差、位差、能量等优化调度的差分 Geo-routing路由协议；(3)基于FEC、多路径算法和网络编码的适应性传输协议。
4.如权利要求1所述的Micro-ANP通信协议模型架构，其特征在于，所述的Micro-ANP 的网络传输层分组格式共10个字节，变长的数据单元除外，其中包括1 bit的流向字段、 8 bits的发送节点级别、16 bits的发送节点ID、1 bit的地址分类、16 bits的节点地址、 8 bits的分组ID、6 bits的协议编号、8 bits的负载长度、变长数据和16 bits的校验码字段。
5.如权利要求1所述的Micro-ANP通信协议模型架构，其特征在于，所述的UWSN 包负载长度的优化方案中，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每数据bit能耗、 最小化包的能量延时积为目标，基于水声传输的to i c k路径损耗、CDMA多址接入和(n, k} t)前向纠错码技术，对UWSN包负载长度进行优化。
全文摘要
本发明公开了一种水声传感器网络(UWSN)的Micro-ANP通信协议模型架构方法。本发明方法包括Micro-ANP协议栈层次划分、Micro-ANP网络传输层协议组成和分组格式设计、UWSN包负载长度的优化共三部分。Micro-ANP简明的协议层次和独有的网络分组格式，减少了传统分层模型带来的多重地址、首部长度、校验和上层协议类型等封装，解决了传感器节点由于计算、存储、能量等十分有限的资源，其上运行的协议栈不能太复杂的问题；UWSN包负载长度的优化设计在降低能量、端到端延时等资源消耗的同时，提高了网络吞吐量和传输可靠性。基于本发明适用于基于水声传感器网络的水下数据采集、环境监测、灾难预防、资源监控等应用的网络通信，作为一种有效、实用的技术方案，应用前景看好。
文档编号H04W84/18GK102572955SQ20121005314
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者杜秀娟 申请人:青海师范大学