一种基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法与流程

本发明涉及一种基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法。

背景技术：

地球表面超过三分之二的面积被水覆盖，大部分海洋资源未被开发，由于水下环境的复杂性，与陆上无线电信号相比，水声信号的传输面临更多困难，有限的传输带宽、较低的数据传输速度、较大的数据传播时延、多路径传播的时变性、繁杂的环境噪音，多普勒频移等问题都对水声传感器网络的设计和实现构成挑战。

在以上提到的这些缺点中，较大的传播时延是mac层最难处理的问题。水下传播时延过大的一个原因是水下声波传播速率非常低，大约为1500m/s，比陆上无线电传播的速度慢了五数量级。作为对比，陆上无线电传播每1km产生3.3μs的传播时延，而对于水声网络来说却是670ms，同时水声网络的数据传输率也比陆上无线电数据传输率低数个数量级。因此，较高的传播时延和低数据传输率，是当今影响水声通信网络最重要的两个因素。在大多数陆上无线电通信网络中，相对传播时延一般小于1，而在水声通信网络中传播时延往往大于1。在水声通信网络中，高传播时延使得许多当代mac协议和流控技术在水中效率极低甚至失效。

当相对传播时延过大时，载波侦听提供失效信息和实时协商，对于虚拟载波侦听技术，由于信道利用率很低，在协议协商阶段，大量的时间就被往返传播浪费，从这点来看，csma协议并不适用于水声传感器网络。其中aloha协议由于出众的吞吐率和简易性使其适用于水声网络。但是aloha协议在水声网络中并不能很好地增加水声网络使用效率和信道利用率，本文所介绍的预调度方法就是一个很好的策略。

本发明提出了一种预调度流水线数据传输方法，该方法通过时隙协商，在源节点和目的节点间安排未来数据传输的时间，并在传输过程中进行信号复用，形成一种预调度流水线的传输模式。本方法能对传输过程中时隙的使用进行合理的分配，减少传输过程中不必要的握手及接收确认的等待时间，使整体传输效率显著提升。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法,来降低节点间数据传输总延时，以实现数据的高效传输，提高信道的利用率。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，该方法包含以下步骤：

发送节点发送携带有发送节点tsw列表的rts信号给下一跳节点，下一跳节点接收rts确定完时隙后将所选时隙写入tlw列表并发送cts信号返回发送节点；

发送节点接收到cts信号后在本地tsw列表中进行标记，并将ds信号给周围所有节点，用来声明未来某个时隙将进行数据传输；

若发送节点还需给其余节点进行数据传输，则该ds信号复用为另一节点的rts信号，并在传输数据前完成另一节点的cts接收，并将发送给下一节点的data信号复用为传输给另一节点的ds信号；

下一跳节点在回馈给发送节点cts信号的同时，该cts信号复用为下一跳节点对下下跳节点的rts信号，同时下下跳节点在回馈cts信号的同时，将cts信号复用为对下下下跳节点的rts信号；

各节点在此模式下预约时隙并进行数据的流水线传输，每个节点在成功接收完数据之后，进行data信号的流水线传输，该data信号同时复用为ack确认信号给上一节点，直到数据成功传输到目的节点；

上述的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，根据所述步骤1中，发送节点发送携带有发送节点tsw列表的rts信号给下一跳节点，下一跳节点接收rts确定完时隙后将所选时隙写入tlw列表并发送cts信号返回发送节点，节点间的数据传输并不在发送方接收完cts信号之后立即发生，而是由发送方发送ds信号一段时间之后再进行数据传输，通信双方等待的时间不是随意的一段时间，而是协议提前确定好的一段可选择时间。

上述的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，根据所述步骤1中，发送节点接收到cts信号后在本地tsw列表中进行标记，并将ds信号给周围所有节点，用来声明未来某个时隙将进行数据传输，在本方法中，每个节点都有tsw和tlw列表，tsw中存放节点发送数据时可以选择的时隙，tlw列表存放节点接收数据时需要参照的时隙，在传输过程中，下一跳节点tsw列表和tlw列表中的时隙和上一跳节点tsw列表中的时隙相关联，并且上节点tsw列表中的值比下节点tsw列表中的值少一个数据发送周期；

所述的tlw列表有i个时隙，其中i≥5，各时隙由如下公式确定；

上述的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，根据所述步骤3中，若发送节点还需给其余节点进行数据传输，则该ds信号复用为另一节点的rts信号，并在传输数据前完成另一节点的cts接收，并将发送给下一节点的data信号复用为传输给另一节点的ds信号；

上述的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，根据所述步骤4中，下一跳节点在回馈给发送节点cts信号的同时，该cts信号复用为下一跳节点对下下跳节点的rts信号，同时下下跳节点在回馈cts信号的同时，将cts信号复用为对下下下跳节点的rts信号；

上述的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，根据所述步骤5中，各节点在此方法下预约时隙并进行数据的流水线传输，每个节点在成功接收完数据之后，进行data信号的流水线传输，该data信号同时复用为ack确认信号给上一节点，直到数据成功传输到目的节点，目的节点收到data数据后不再向下一节点发送数据，在确认数据传输无误的情况下将会回复一个独立的ack信号给目的节点的上一节点；

本发明具有以下优点及效果：

降低了节点间数据传输的平均延时，本方法在误码率相对较低、包长较短、节点数量相对较多的情况下与传统的水声传感器网络数据传输方法相比，在能耗变化不明显的前提下，具有更小的延时，这些优点使得该协议更适用于各时延容忍的应用及海洋灾害预警、海洋中移动节点通信、战时海底影像侦测等水声通信领域。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的实施用例图

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面参照相关附图对本发明进行全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但本发明并不局限于本文所描述的实施例。提供实施例的目的是本发明的公开内容理解更加透彻全面。

本发明提供的基于预调度流水线方式的水声传感器网络数据传输方法，能有效提高水声传感器网络的信道利用率，降低节点间的数据传输延时，增加了数据传输效率，对整体信道传输率也有很大的提高。

请参照图1，本实施例方法步骤如下：

步骤1：发送节点发送携带有发送节点tsw列表的rts信号给下一跳节点，下一跳节点接收rts确定完时隙后将所选时隙写入tlw列表并发送cts信号返回发送节点；

步骤2：发送节点接收到cts信号后在本地tsw列表中进行标记，并将ds信号给周围所有节点，用来声明未来某个时隙将进行数据传输；

步骤3：若发送节点还需给其余节点进行数据传输，则该ds信号复用为另一节点的rts信号，并在传输数据前完成另一节点的cts接收，并将发送给下一节点的data信号复用为传输给另一节点的ds信号；

步骤4：下一跳节点在回馈给发送节点cts信号的同时，该cts信号复用为下一跳节点对下下跳节点的rts信号，同时下下跳节点在回馈cts信号的同时，将cts信号复用为对下下下跳节点的rts信号；

步骤5：各节点在此模式下预约时隙并进行数据的流水线传输，每个节点在成功接收完数据之后，进行data信号的流水线传输，该data信号同时复用为ack确认信号给上一节点，直到数据成功传输到目的节点；

在本发明的实施例中，发送节点发送携带有发送节点tsw列表的rts信号给下一跳节点，下一跳节点接收rts确定完时隙后将所选时隙写入tlw列表并发送cts信号返回发送节点，节点间的数据传输并不在发送方接收完cts信号之后立即发生，而是由发送方发送ds信号一段时间之后再进行数据传输，通信双方等待的时间不是随意的一段时间，而是协议提前确定好的一段可选择时间。

在本发明的实施例中，发送节点接收到cts信号后在本地tsw列表中进行标记，并将ds信号给周围所有节点，用来声明未来某个时隙将进行数据传输，在本方法中，每个节点都有tsw和tlw列表，tsw中存放节点发送数据时可以选择的时隙，tlw列表存放节点接收数据时需要参照的时隙，在传输过程中，下一跳节点tsw列表和tlw列表中的时隙和上一跳节点tsw列表中的时隙相关联，并且上节点tsw列表中的值比下节点tsw列表中的值少一个数据发送周期；

所述的tlw列表有i个时隙，其中i≥5，各时隙由如下公式确定；

在本发明的实施例中，若发送节点还需给其余节点进行数据传输，则该ds信号复用为另一节点的rts信号，并在传输数据前完成另一节点的cts接收，并将发送给下一节点的data信号复用为传输给另一节点的ds信号；

在本发明的实施例中，下一跳节点在回馈给发送节点cts信号的同时，该cts信号复用为下一跳节点对下下跳节点的rts信号，同时下下跳节点在回馈cts信号的同时，将cts信号复用为对下下下跳节点的rts信号；

在本发明的实施例中，各节点在此方法下预约时隙并进行数据的流水线传输，每个节点在成功接收完数据之后，进行data信号的流水线传输，该data信号同时复用为ack确认信号给上一节点，直到数据成功传输到目的节点，目的节点收到data数据后不再向下一节点发送数据，在确认数据传输无误的情况下将会回复一个独立的ack信号给目的节点的上一节点；

下面用一个实例来阐述本方法：

如图2所示，假设有abcde五个节点，我们将a节点作为源节点，b、c、d、e节点均为数据转发节点。首先源节点a在t1时刻发送rts信号给节点b，rts信号中包含源节点tsw列表中的五个时隙，时隙之间的关系由公式(1)得出：

节点b在t2时刻接收到a节点发出的rts信号，并随机选择一个长度小于b节点tlw列表长度的ta-2时隙，将ta-2时隙加入b节点tlw列表，并将所选时隙信息加入cts信号回馈给a节点，cts信号中同时有b点的rts接收时间t2，以及a节点和b节点的距离信息dab,dab可由公式(t2-t1)×c得出，且dab在水声传感网络形成之初就已确定。

节点a接收完cts信号之后将剩余的四个时隙以及使用ta-2时隙b节点的距离信息dab加入到ds信号中发送给e节点和周围节点，e节点是a节点单对多发送数据的另一节点，该节点在t5时刻接收到ds信号后从剩余的四个时隙中选择ta-3时隙作为自己接收数据的时隙并发送cts信号给源节点a。

节点a接收完毕后会在最早的t1+ta-2时隙发送数据data给b节点，b节点在t2+ta-2时隙进行数据接收，节点a在t1+ta-2所发送的data数据对于节点e是一个ds信号，该信号相当于一个确认发送信号，所以e节点会在自己选择的ta-3时隙接收data。节点a在t1+ta-3时刻开始发送数据，节点e在ta-3+t5-2dab÷c时隙接收数据，e节点接收完数据后，将发送给下一个节点的data同时作为对a节点的ack确认信号。

节点b同时向a、c节点发送cts信号，cts信号包含有b节点tsw列表中的五个时隙，同时作为送给节点c的rts信号，c节点从五个可选时隙中选择一个小于tlw列表范围的时隙tb-1，并将tb-1写入到本节点的tlw列表和cts信号中发送给b、d节点，b节点tsw列表中的五个时隙需要由b节点所选择a节点提供的时隙确定，本示例中，tb-i由如下公式得出：

公式(2)可知，下一节点提供的五个时隙必定在本节点接收完上一节点所发数据之后，这是确保各节点能以流水线形式发送数据的前提。

在整个传输过程中，下级节点回馈cts信号必须要在上一节点接收完上上级节点发送的ds信号到达上级节点之后，回馈以ds信号复用的cts信号时并不需要ds信号的约束，这边以节点c、d为例，d节点在接收完c节点的cts信号后，需要通过下式：

当δt＞0时，可以立即发送回馈cts信号，当δt≤0时，d节点的cts信号发送时间为：

公式(4)中k为一个大于1的随机数，用于随机退避一段时间，使节点c能先接收b发送的ds信号，再接收d发送的cts信号，来避免冲突。

整个水声传感器网络中的节点通过这种方法将数据传输至目的节点，本发明已在水下传感器网络环境中进行验证，通过实验数据证明，该方法相较于传统的macaw数据传输方法在节点数一定的情况下，其通信延时降低35.83％，在数据包长度一定的情况下，其通信延时降低26.78％。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。