一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法与流程

本发明涉及水下通信，尤其是涉及一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法。

背景技术：

当前，水下数据传输在保卫国家海洋安全、海底资源勘探、海洋灾难预警与扩大国民经济发展空间的等方面均发挥着重大作用。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，是当今海洋高技术研究的热点之一。

水下声传播速度缓慢、海水对声波的吸收以及海水介质的复杂、多变性等因素，都将对水声信号产生严重干扰。由于水声信道的固有属性，要实现高速水声通信，必须提高工作频率，但传输距离却受限，因此为实现高速远距离水下数据传输，通常采用多跳的方式进行传输(w.zhang,etal.analysisofalinearmultihopunderwateracousticnetwork[j].ieeejournalofoceanicengineering,2010,35(4):961-970)。与直接进行长距离通信相比，通过短距离多跳实现远距离通信系统整体所消耗的能量更低(gregoryj.pottie,etal.embeddingtheinternet:wirelessintegratednetworksensors[j].communicationsoftheacm,2000,43(5):51–58)。

同时，通过协作节点可以有效降低通信误码率、提高水声通信的带宽利用率和系统容量、扩大覆盖范围，是水声通信网络极具发展潜力的一个研究方向(陈友淦.水声网络信道编码与协作关键技术研究[d].厦门:厦门大学博士学位论文,2012)。

此外，在水声多跳协作网络系统中，越长距离的水声数据传输则需布放更多的中继节点，作为水声网络的基本单元，水下节点长期工作在水下，不仅节点能量供应和传输功率受限，而且水下节点的布放和维护难度都很大。

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成本及能量损耗，利用航道上服从一定概率分布出现的行船，搭载水声数据收发装置，通过合理设置发送功率，建立船载中继节点及船载协作节点在源节点及目的节点之间进行水声数据多跳协作传输的机制。可以有效增加水声数据传输距离，同时降低水下中继节点、协作节点的布放和维护成本，进而降低水声数据传输系统的整体代价的一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法。

本发明包括以下步骤：

1)统计近海海域航道中行船出现的概率分布，同时将统计得到的各船之间的距离d的范围记为：

dmax＞d＞dmin(1)

其中，dmax和dmin分别表示各船之间的最大距离和最小距离；水声数据发射接收的有效接收距离为l，源节点s每隔时间t广播发射一个数据包信号；定义以水声数据发射点为圆心以l为半径的圆范围内为水声数据发射的有效接收范围；

2)在近海海域，当航道上配备有水声数据收发装置的行船进入有效接收范围时，则接收来自源节点s的信号；

3)若同时有两艘行船出现在有效接收范围内，距离目的节点较远的一艘行船选为协作节点c1，其距离设为l1，距离目的节点较近的另一艘行船选为中继节点r1，其距离设为l2。因此，l1、l2关系应满足：

l＞l2＞l1(2)

根据航道中行船的船间距分布确定l的取值。例如，船间距d分布在dmin～dmax之间，则：

l≥dmax(3)

假设行船的平均航速为v，航道宽度为h且源节点s在航道正中，要使得水声数据传输过程中行船不驶出航道，必须满足以下关系式：

其中c为海水中声传播的速度。

4)协作节点c1将接收到的信号解码转发给中继节点r1，中继节点r1将来自源节点s和协作节点c1的信号进行联合解码；

5)若中继节点r1联合解码失败，但协作节点c1解码成功，则可将协作节点c1作为中继节点r1继续进行数据传输；

6)若出现在有效接收范围内的行船仅有一艘，则该船作为中继节点r1直接进行数据传输，接收来自源节点s的信号；

7)若中继节点r1解码成功后，则行船向其有效接收范围内的更靠近目的节点的行船转发来自源节点s的信号；否则，请求源节点s进行重传，重复步骤2)～7)，直至达到最大重传次数或者中继节点r1解码成功为止；

8)若到步骤7)为止，传输过程或解码依旧失败，则定义本次传输失败；

9)若有两艘行船出现在有效接收范围内，同样按照步骤3)将两艘行船分别定义为协作节点c2和中继节点r2，进行水声数据的接收和解码；

10)若仅有一艘行船出现在有效接收范围内，按照步骤5)将该船定义为中继节点r2，进行水声数据的接收和解码；

11)以此类推，直到目的节点d进入中继节点rmax的有效接收范围，若目的节点d解码成功，则最终完成水声数据多跳协作传输任务；否则，请求中继节点rmax进行重传，直至达到最大重传次数或者目的节点d解码成功为止；若重传后，目的节点d依旧无法成功解码，则定义本次传输失败。

本发明利用行船搭载中继节点实现水声数据的接收和转发功能，引入协作通信原理，通过基于行船的协作节点、中继节点的分工合作，降低水声多跳通信网络的数据传输成本。同时将结合水声信道特点和行船出现的不确定性，研究行船出现概率对水声数据多跳协作传输的影响及能量消耗情况。

本发明具有以下突出优点：

1)在水声多跳协作通信网络中采用基于行船中继节点发送水声数据的方法，可以有效地增加源节点s与目的节点d之间的数据传输距离，实现更远距离的高速水声数据传输；

2)在水声多跳协作通信网络中采用行船搭载中继节点进行水声数据协作传输，可以充分利用行船给节点提供能量，降低传输系统整体能量损耗，，同时降低水下协作节点、中继节点的布放和维护成本；

3)在水声多跳协作通信网络中采用行船搭载协作节点进行水声数据协作传输，可以通过降低水下节点的重传次数，降低能量损耗，延长水下设备使用寿命，进而降低水声数据传输系统的整体代价。

附图说明

图1为基于行船搭载中继节点的水声数据多跳协作传输方案示意图。在图1中，虚线部分表示可能存在的协作节点。

图2为行船不同出现概率时系统整体中断概率的对比。

图3为传输距离为20km时行船搭载中继节点方案及传统多跳协作方案的能量损耗对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，所述行船搭载中继节点的水声数据多跳协作传输方法，包括以下步骤：

1)已知近海海域航道中的行船出现服从正态分布(余劲,张玮,姜继红,廖鹏.西江航道船舶流的概率分布特性[j].交通运输工程学报,2006,02:88-93.)，可以确定行船出现在航道中的出现概率。同时，该文献中指出，各船之间的间距d分布在0.42～1.80km。源节点s每隔时间t广播发射一个数据包信号，源节点s有效收发距离为l，定义以水声数据发射点为圆心以l为半径的圆范围内为水声数据发射的有效接收范围；

2)在近海海域，当航道上配备有水声数据收发装置的两艘行船进入有效接收范围时，则接收来自源节点s的信号；

3)若同时有两艘行船出现在有效接收范围内，距离目的节点较远的一艘行船选为协作节点c1，其距离设为l1，距离目的节点较近的另一艘行船选为中继节点r1，其距离设为l2。因此，l1、l2关系应满足：

l＞l2＞l1(9)

根据航道中行船的船间距d的分布确定l的取值。例如，船间距d分布在dmin～dmax之间，则：

l≥dmax(10)

假设行船的平均航速为v，航道宽度为h且源节点在航道正中，要使得数据传输过程中行船不驶出航道，必须满足以下关系式：

其中c为海水中声传播的速度。

本实施例中，假设行船的平均航速在13km/h，假设航道宽度为1km且源节点s在航道正中，信号传输所需最大时间为1.33s(2/1.5s)，因此在这段时间里行船不会驶出航道；

4)协作节点c1将接收到的信号解码转发给中继节点r1，中继节点r1将来自源节点s和协作节点c1的信号进行联合解码；

5)若中继节点r1联合解码失败，但协作节点c1解码成功，则可将协作节点c1作为中继节点r1继续进行数据传输；

6)若出现在有效接收范围内的行船仅有一艘，则该船作为中继节点r1直接进行数据传输，接收来自源节点s的信号；

7)若中继节点r1解码成功后，该行船向其有效接收范围内的更靠近目的节点的行船转发来自源节点s的信号；否则，请求源节点s进行重传，重复步骤2)～7)，直至达到最大重传次数或者中继节点r1解码成功为止；

8)若到步骤7)为止，传输过程或解码依旧失败，则定义本次传输失败；

9)若有两艘行船出现在有效接收范围内，同样按照步骤3)将两艘行船分别定义为协作节点c2和中继节点r2，进行水声数据的接收和解码；

10)若仅有一艘行船出现在有效接收范围内，按照步骤5)将该船定义为中继节点r2，进行水声数据的接收和解码；

11)以此类推，直到目的节点d进入中继节点rmax的有效接收范围，若目的节点d解码成功，则最终完成水声数据多跳协作传输任务；否则，请求中继节点rmax进行重传，直至达到最大重传次数或者目的节点d解码成功为止；若重传后，目的节点d依旧无法成功解码，则定义本次传输失败。

下面对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行船中继节点间的传输最大距离l＝2km，水声速度c＝1500m/s，则任意2个节点间的传播最大时延tst＝l/c≈1.34s，若采用正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，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。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1000次。仿真时，假设最大重传次数为一次，若重传一次仍失败则本次传输失败。

由于行船载水声数据收发装置与传统布放的水下节点受到轮船噪声的影响不同，因此需要考虑到船舶噪声对水声数据传输的影响。一般认为海洋环境噪声是服从高斯分布的，船舶噪声的连续谱主要由空化噪声所致，因此也仅是认为服从高斯分布，但由船舶上周期运动机械引起的另一部分船舶噪声是不服从高斯分布，并且重要集中在低频段(<1000hz)(周越,杨杰.水声信号的非高斯特性分析与检测方法的研究[j].信号处理,2001,05:406-411)。而采用的基于水声ofdm调制的水下节点收发数据工作频段在20～25khz之间，船舶噪声与水声数据收发系统不在同一频段，对水声数据传输的影响可以忽略不计。

本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(12)

式中，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：

式中，ir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ir的计算公式为：

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＝2πhir(15)

式中，p的单位是w；h表示海域深度，单位为m，在仿真程序中设为75m。

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et(单位为j)的表达式为：

et＝npt0(16)

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：

式中，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et的1/10，即：

以下是对于本发明所述方法仿真结果的分析：

1)行船不同出现概率对水声数据传输的影响：行船不同出现概率时，采用不同发射声源级，对本发明所述基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法系统整体中断概率进行计算，结果如图2所示。由图2可见，在行船的不同出现概率情况下，系统的中断概率均随水声收发装置的发射声源级的提高而降低，这是由于随着水声收发装置发射声源级提高，发射功率增加，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；在发射声源级相同的条件下，随着行船出现概率的提高，系统的中断概率也随之下降，这是由于行船出现概率越高，出现无行船可搭载中继节点的概率就越低，同时协作节点和中继节点出现的概率也越高，使得传输成功率越高，故系统中断概率降低。

2)行船搭载中继节点方案与传统方案能量损耗对比：当源节点s与目的节点d的总距离为20km时，对本发明所述基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法系统及传统多跳协作系统整体能量损耗进行计算，结果如图3所示。图3为两种方案的能量对比。通过图3可以看出，本发明所提方案的能量损耗随着信噪比的提高而增加，这是由于信噪比提高，所需发射功率增大导致的。同时，可以明显看出，行船搭载中继节点方案的能量损耗远低于传统方案，这是由于行船搭载中继节点方案的中继节点及协作节点均依附于行船，所需能量由行船提供，所以系统所需提供的仅为源节点及目的节点的能量损耗，这与理论描述相一致。

在近海海域，利用航道上服从一定概率分布出现的行船，搭载水声数据收发装置，通过合理设置发送功率，建立船载中继节点及船载协作节点在源节点和目的节点之间进行水声数据多跳协作传输的机制。源节点广播信号，若有两艘配备有水声数据收发装置的行船进入有效接收范围时，距离目的节点较远的一艘行船选为协作节点，距离目的节点较近的另一艘行船选为中继节点，开始进行信号接收，协作节点将接收到的信号解码转发给中继节点，中继节点将来自源节点和协作节点的信号进行联合解码；若仅有一艘配备有水声数据收发装置的行船进入有效接收范围时，则该船作为中继节点接收来自源节点的信号并解码。中继节点解码成功后，该行船向其有效接收范围内的更靠近目的节点的行船转发来自源节点的信号，同样按照前述方法，根据有效接收范围内存在一艘或是两艘行船的不同情况，进行水声数据的接收和解码处理；以此类推，进行多跳协作传输，直到目的节点进入某一中继节点的有效接收范围，最终在目的节点完成水声数据多跳协作传输任务。该方法可以充分利用航道上服从一定概率分布出现的行船之规律来进行水声数据多跳协作传输，可以有效增加水声数据传输距离，同时降低水下协作节点、中继节点的布放和维护成本，进而降低水声数据传输系统的整体代价。