一种水声多跳协作通信网络数据奇偶分组传输方法与流程

本发明涉及水下通信，尤其是涉及基于水声数据奇偶分组协作传输机制的一种水声多跳协作通信网络数据奇偶分组传输方法。

背景技术：

海洋高技术科技在保卫国家安全、缓解陆地资源紧缺、扩大国民经济发展空间等方面发挥着重要作用，随着海底科学观测网建设的推进和实施，发展水声通信及其网络技术，建立可靠的水下数据传输网络，是当今海洋技术的研究热点。

在水声通信网络中，水声数据传输的信道环境极为恶劣，由于节点间发送功率限制导致的传输距离限制，为实现远距离水下数据传输，通常需要采用多跳的方式进行传输(W.Zhang,et al.Analysis of a linear multihop underwater acoustic network[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2010,35(4):961-970)。目前，适应水声信道环境的高效节能的水声多跳网络协议是制约水声通信网络发展的关键因素之一。国内外对水声多跳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。例如：P.Xie和J.-H.Cui提出采用高效的错误消除编码以降低数据包传输总数、提高信道使用率、简化协作方式的方法(P.Xie and J.-H.Cui.An FEC-based reliable data transport protocol for underwater sensor networks[C].in Proc.of ICCCN,Honolulu,HI,2007)；M.Mo等人提出一种避免收发冲突的协作方式(H.Mo,et al.Coding based multi-hop coordinated reliable data transfer for underwater acoustic networks:Design,implementation and tests[C].in Proc.of IEEE Globecom Workshops,Atlanta,GA,2013)，主要是在全链条式的多跳数据传输中，采用相隔两跳的节点同时发送数据包，可避免节点间的收收冲突，可大大提升数据传输效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可降低现有水声多跳通信网络数据传输平均端到端时延，提高数据传输成功率，降低重传次数，可在保证水声数据多跳协作通信网络系统整体误码性能的前提下，有效降低系统传输平均端到端时延和能量损耗的一种水声多跳协作通信网络数据奇偶分组传输方法。

本发明包括以下步骤：

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能让相邻及相隔一跳的四个节点监听到、相隔两跳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接收/监听状态；且规定，每个节点发送完一个数据包后，立即从发送状态转为接收/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)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置节点之间的距离并控制每个节点的发送功率大小，以便于建立节点之间数据奇偶分组发送的协作传输机制；

5)将节点编序号，数据包按“1212…”的奇偶序列进行编号排列，每“12”两个数据包为一组；

6)源节点进行数据传输初始化操作，即第一节点向第二节点发送第二数据包；

7)第一节点向第三节点发送第二数据包,此时第一节点与第三节点之间的第二节点可监听到第一数据包并储存在本地；第二节点再向第四节点发送第二数据包，此时第二节点与第四节点之间的第三节点亦可监听到第二数据包并储存在本地；

8)以此类推，奇数节点向下一个奇数节点发送第一数据包，偶数节点向下一个偶数节点发送第二数据包，奇偶节点交替进行；此时，奇数节点和偶数节点分别作为各自的中继节点进行转发；

9)对于两个奇数节点之间的数据传输，若处于接收状态的奇数节点正确接收数据包，则发送正确接收信号ACK到两个收发奇数节点之间的偶数节点，否则发送未正确接收信号NAK给该偶数节点并请求重传数据包，直到该正在接收数据包的奇数节点正确接收数据包或者达到最大重传次数为止；此时，两个收发奇数节点之间的偶数节点作为协作节点进行传输；同理，对于两个偶数节点之间的数据传输也适用上述协作传输机制；

10)当目的节点成功接收完该组数据包后，回到步骤6)，即源节点进行下一组数据包的初始化操作，直到所有数据包发送完成为止。

在步骤5)和步骤7)中，采用将数据包进行奇偶分组发送的方法，每次传输发送“12”两个数据包，使得数据包的发送次数降低一半，降低传输时间，进而降低系统整体的平均端到端时延，有效降低系统能量损耗。

在步骤5)和步骤9)中，采用奇偶节点之间协作传输的方法，使得每个节点可作为相邻两个节点的协作节点，降低节点间的数据包重传距离及次数，从而延长水下设备使用寿命，降低水下数据传输成本。

综上，传统逐跳逐个的数据包传输方法使得水下数据传输效率较低，鉴于协作通信可获得分集增益方面的优势，本发明拟在水声多跳通信网络中引入协作通信，研究如何通过各个节点间的协作来提高数据传输效率；同时考虑水声信道大时延的特性，研究如何通过降低数据包传输次数，进而降低系统整体的平均端到端时延。

本发明依据水声信道大时延的属性，通过合理设置节点之间的距离并控制每个节点的发送功率大小，引入协作通信，建立节点之间数据奇偶分组发送的协作传输机制，提高数据传输成功率，降低重传次数，可在保证水声数据多跳协作通信网络系统整体误码性能的前提下，有效降低系统传输平均端到端时延和能量损耗。

本发明具有以下突出优点：

1)在水声多跳通信网络中采用数据包奇偶分组发送的方法，每次传输发送“12”两个数据包，可将数据包的传输次数减少一半，进而降低系统整体的平均端到端时延；

2)在水声多跳通信网络中采用奇偶节点之间协作传输的方法，使得每个节点可作为相邻两个节点的协作节点，降低节点间的数据包重传距离及次数，进而降低系统整体的平均端到端时延；

3)本发明所述的水声多跳协作通信网络数据奇偶分组发送方法，可在保证系统整体误码性能的前提下，有效降低系统能量损耗，从而延长水下设备使用寿命，降低水下数据传输成本。

附图说明

图1为奇偶分组协作传输方案示意图。

图2为奇偶分组协作传输方案时延推导。

图3为未分组方案时延推导。

图4为奇偶分组协作传输方案与未分组方案中断概率对比。

图5为奇偶分组协作传输方案与未分组方案平均端到端时延对比。

图6为奇偶分组协作传输方案与未分组方案能量损耗对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。

现有水声多跳通信网络数据传输方案，数据包在节点间逐个逐跳传输，第一节点11向第二节点12传输第一数据包21，第二节点12再向第三节点13传输第一数据包21，直到第一数据包21由源节点发送至目的节点后开始传输第二数据包22,这样的传输方法每次仅能传输一个数据包，平均端到端时延较高。为此，本发明提出一种水声多跳通信网络奇偶分组协作传输方法，将数据包进行奇偶分组传输，可以使传输次数减半，同时利用奇偶节点之间的协作传输，降低系统平均端到端时延及能量损耗。

如图1所示，所述水声多跳通信网奇偶分组协作传输方法，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能让相邻及相隔一跳的四个节点监听到、相隔两跳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接收/监听状态；且规定，每个节点发送完一个数据包后，立即从发送状态转为接收/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)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置节点之间的距离并控制每个节点的发送功率大小，以便于建立节点之间数据奇偶分组发送的协作传输机制；

5)将t个节点编序号为“1,2，…，t”，n个数据包按“1212…”的奇偶序列进行编号排列，每“12”两个数据包为一组,共有n/2组数据包；

6)源节点进行数据传输初始化操作，即第一节点11向第二节点12发送第二数据包22；

7)第一节点11向第三节点13发送第一数据包21,此时第一节点11与第三节点13之间的第二节点12可监听到第一数据包21并储存在本地；第二节点12再向第四节点14发送第二数据包22，此时第二节点12与第四节点14之间的第三节点13亦可监听到第二数据包22并储存在本地；

8)以此类推，奇数节点向下一个奇数节点发送第一数据包21，偶数节点向下一个偶数节点发送第二数据包22，奇偶节点交替进行；此时，奇数节点和偶数节点分别作为各自的中继节点进行转发；

当数据包全部传输成功时，结合图2可以得出节点数为t时的总时延，其中跳数k＝t-1：

$T_{total\_k}=\frac{n}{2}\[(k-1)(2T_{st}+T_{bl})+2(T_{st}+T_{bl})\]---\left(1\right)$

式中，T_{total_k}表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延。

9)对于两个奇数节点之间的数据传输，若处于接收状态的奇数节点正确接收数据包，则发送正确接收信号ACK到两个收发奇数节点之间的偶数节点，否则发送未正确接收信号NAK给该偶数节点并请求重传数据包，直到该正在接收数据包的奇数节点正确接收数据包或者达到最大重传次数为止；此时，两个收发奇数节点之间的偶数节点作为协作节点进行传输；同理，对于两个偶数节点之间的数据传输也适用上述协作传输机制；

结合图2可知，当有节点发生重传时，系统总的传输时延为：

$T_{total\_k}=\frac{n}{2}\[(k-1)(2T_{st}+T_{bl})+2(T_{st}+T_{bl})\]+\underset{i=2}{\overset{t}{\Σ}}(T_{st}+T_{bl})m_i---\left(2\right)$

其中，m_i＝0,1,2,…,M

式中，T_{total_k}表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，t表示节点个数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延，m_i表示第i个节点请求重传的次数，i＝2，…，t，且任意节点的最大请求重传次数为M。

10)当第t个节点成功接收完该组数据包后，回到步骤6)，即源节点进行下一组数据包的初始化操作，直到n/2组数据包全部发送完成为止。

为了便于对比，下面推导未采用水声多跳协作通信网络奇偶分组传输方案(以下简称未分组传输方案)的系统整体传输时延，推导过程如图3所示。

同样设t个节点传输n个数据包，若一次全部传输成功，则系统总时延为：

T_tatal＝kn(T_st+T_bl) (3)

式中，T_total表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延。

当有节点发生重传时，系统总时延为：

$T_{total}=kn(T_{st}+T_{bl})+\underset{i=2}{\overset{t}{\Σ}}(T_{st}+T_{bl})m_i---\left(4\right)$

m_i＝0,1,2,…,M

式中，T_total表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，t表示节点个数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延。其中，m_i表示第i个节点请求重传的次数，i＝2，…，t，且任意节点的最大请求重传次数为M。

下面以7跳、50个数据包，即t＝8，k＝7，n＝50为例，对于本发明所述方法的可行性进行计算机仿真验证。

假设水声多跳协作通信网络各节点间的传输距离l＝1km，水声速度c＝1500m/s，则任意2个节点间的传播时延T_st＝l/c≈667ms，若采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称为OFDM)多载波调制方式，根据水声网络调制解调器的参数设置，每个OFDM数据符号块(block)的持续时间为95ms，则任意2个节点间的传播时延T_st约为667/95＝7个block，将节点每次待发送数据符号块总持续时间T_bl设为20个block，即每个数据包长度为20个block。水声信道采用准静止衰落信道。仿真实验在MATLAB平台上实现，仿真次数设为5000次。

为方便描述，仿真中，对端到端时延的描述全部以OFDM数据符号块(block)的数目来表示，可通过传播时延除以每个block持续时间取整计算得到对应的block数目，并根据上述端到端时延计算公式对时延进行计算。

对于本仿真计算实例，取t＝8，即k＝7时，代入奇偶分组协作传输方案的时延计算公式，结果如下：

1)全部传输成功时：

$T_{total\_k}=\frac{n}{2}\[6(2T_{st}+T_{bl})+2(T_{st}+T_{bl})\]---\left(5\right)$

式中，T_{total_k}表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延。

2)存在节点重传时：

$T_{total\_k}=\frac{n}{2}\[6(2T_{st}+T_{bl})+2(T_{st}+T_{bl})\]+\underset{i=2}{\overset{t}{\Σ}}(T_{st}+T_{bl})m_i---\left(6\right)$

其中，m_i＝0,1,2,…,M

T_{total_k}表示跳数为k时的总时延，n表示数据包个数，k表示跳数，t表示节点个数，T_st表示传播时延，T_bl表示传输时延；m_i表示第i个节点请求重传的次数，i＝2，…，t，且任意节点的最大请求重传次数为M。

实施例中采用的能量损耗计算模型如下：

接收端水下信号信噪比SNR一般可由被动声呐方程表示，即：

SNR＝SL-TL-NL+DI≥DT (7)式中，SNR表示水下信号信噪比，DT是检测门限，通常设定为3dB；DI是接收器指向性指数，设定为0dB，即为全指向性接收器；NL是环境噪声级；TL是由于水声信道造成的传播损失，表示声波传播一定距离以后声强度的衰减变化；SL是声源级，用于描述发射信号的强弱，其定义为：

$SL=10{\log }_{10}\frac{I_r}{I_0}---\left(8\right)$

式中，SL是声源级，I_r是距离声源1m处的声音强度；I₀是参考声强，通常取均方根声压为1μPa的平面波的声强，约为0.67×10^-19W/m²。从式(8)可得到I_r的计算公式为：

$T_r={10}^{\frac{SL}{10}}{I}_0---\left(9\right)$

式中，SL是声源级，I_r是距离声源1m处的声音强度；I₀是参考声强。

浅海中要使距离声源1m处的声强达到Ir，在接收机方向上所需的传输功率为：

P＝2πhI_r (10)

式中，P表示传输功率；h表示海域深度，单位为m，在仿真程序中设为75m，I_r是距离声源1m处的声音强度。

假设1个节点发送的数据包为n，传输一个数据包所需的时间为T₀(单位为s)，则该节点发送数据所消耗的能量E_T(单位为J)的表达式为：

E_T＝nPT₀ (11)

式中，E_T表示发送数据所需能量消耗，n为发送的数据包个数，P为传输功率，T₀为传输一个数据包所需时间。

对于中继节点来说，除了发送信息的能量消耗外，节点能量消耗还包括接收数据包所消耗的能量。当节点接收n个数据包信息时，消耗的能量可表示为：

$E_R={\mathrm{nE}}_{R_0}---\left(12\right)$

式中，E_R为消耗的能量，n为发送的数据包个数，是节点接收一个数据包所消耗的能量。对于一般商用水听器接收一个数据包所消耗能量的典型值为发送一个数据包所消耗能量E_T的1/10，即：

$E_{R_0}=\frac{1}{10}{T}_{0}P=\frac{1}{10}{E}_T---\left(13\right)$

式中，是节点接收一个数据包所消耗的能量，T₀为传输一个数据包所需时间，P为传输功率，E_T表示发送数据所需能量消耗。

以下是对于本发明所述方法仿真结果的分析：

1)两种方案的系统中断概率对比：单个节点采用不同发射声源级时，对本发明所述奇偶分组协作传输方案和未分组方案的系统整体中断概率进行计算，结果如图4所示。由图4可见，采用两种方案的系统中断概率均随单个节点发射声源级的提高而降低，这是由于单个节点发射声源级提高，发射功率提高，传输数据成功率也提高，故系统中断概率降低，与理论分析一致；在单个节点发射声源级相同的条件下，奇偶分组协作传输方案的中断概率略高于未分组方案，这是由于本发明所述方法的传输相隔一跳，其传输距离系未分组传输方案距离的两倍，故采用同样发射功率的传输效果要差一些，也就是说，要想获得同样的中断概率，其单个节点所需的发射声源级必须高于未分组方案，这与理论分析相吻合。

2)两种方案的系统平均端到端时延对比：在单个节点不同发射声源级下，对两种传输方案的系统平均端到端时延进行仿真对比，结果如图5所示。由图5可见，随着单个发射声源级的升高，两种方案的平均端到端时延均有明显降低，但最终奇偶分组协作传输方案的时延明显低于未分组方案的时延，这也与上述公式推导的结论一致，证明了奇偶分组协作传输方案的优越性。

3)两种方案的系统整体能量损耗对比：在相同跳数条件下，两种传输方案的系统平均能量损耗的仿真结果对比如图6所示。由图6可见，在跳数相同的条件下，两种方案所需能量均随单个节点发射声源级的提高而提高；同时，奇偶分组传输协作方案系统整体所需能量消耗明显低于未分组方案，这是由于奇偶分组传输协作方案以两个数据包为一组进行传输，降低了数据包的传输次数，且由于奇偶节点间存在协作传输，带来协作增益，因此系统整体的能量损耗较低，仿真结果验证了奇偶分组协作传输方案的优越性。

综上，本发明利用水声信道大时延的传输特性，合理设置节点之间的距离并控制每个节点的发送功率大小，建立节点之间数据奇偶分组发送的协作传输机制；将待传输的数据包及各节点编号，每两个数据包为一组，同时进行初始化操作；奇数节点向下一个奇数节点发送奇数数据包，偶数节点向下一个偶数节点发送偶数数据包，奇偶节点交替进行，此时，奇数节点和偶数节点分别作为各自的中继节点进行转发；当奇数节点向下一个奇数节点发送奇数数据包时，两个奇数节点之间的偶数节点可监听到该奇数数据包并储存在本地，该偶数节点可根据需要作为协作节点将监听到的该奇数数据包重传给下一个奇数节点；同理，两个偶数节点之间的奇数节点也适用上述协作传输机制；当目的节点成功接收完该组数据包后，源节点进行下一组数据包的初始化操作，直到所有数据包发送完成为止；该方法能充分发挥奇偶节点之间的协作传输作用，在保证系统误码性能的前提下，有效降低节点之间的重传次数，进而降低系统整体的平均端到端时延及能量损耗。