一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种水下传感器网络可靠传 输机制。
【背景技术】
[0002] 水下传感器网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks)在环境监测、 资源勘探、灾害预防等方面具有广泛的应用前景，已逐步成为世界各国政府、国防、工业及 学术界的关注及研究热点。UWSN采用声波通信，水声信道误码率高，通常在KT 3-1(T范围 之间；水声通信传播延时长，其延时接近秒级；带宽较窄，通常在几十kbps的量级；与传统 Modem相比，声学Modem能耗更大，而水下节点通常采用电池供电，电池的充电与替换困难； 水下节点部署稀疏，节点随水流或其他水下活动的移动而移动，能量耗尽或硬件故障容易 导致节点失效，因此水下传感器网络拓扑动态变化。以上特性导致陆上通信协议在UWSN下 不适用或具有极低的工作效率，传统的可靠传输机制在UWSN中的应用局限主要体现在以 下方面： 1)水声信道的高误码率导致逐跳传输时较大的包错误率，使得端到端的包成功传输概 率接近零。因此，传统的、端到端的可靠传输机制在UWSN网络将会导致过多的重传，从而带 来过多的能耗，加剧低带宽的水声网络负载和包冲突，降低信道利用率。
[0003] 2)水声信号的低传播速度导致较大的端到端延迟，这给传统的端到端可靠传输机 制的实时控制带来较大的问题。
[0004] 3)水下传感器网络长延时、低比特率特点导致传统的简单停等ARQ机制在UWSN的 信道利用率极低；水声Modem采用半双工通信，限制了高效的传统流水线ARQ协议的使用。 水声信道的高误码率容易导致传统确认机制中ACK的丢失，不仅浪费了传输ACK的带宽资 源，而且那些成功接收的数据包也会被发送节点重传，带来更大的能耗。
[0005] 4)传统的前向纠错重传技术（FEC)采用固定码率的纠删码，在传输之前需要 预先确定冗余包的数量。FEC由w个原始数据包编码后产生友个编码包，況> ?， wi = 表示冗余包数量。为了重构^个原始数据包，接收节点需要接收一定数量(大于 n)的编码包。A~+n是一个常数，定义为扩展因子，JV/H的值取决于信道的删除概率。由于 水声信道的时变性，很难预先确定这个信道删除概率常数，过高的估计将增加能耗及带宽 开销，低估的删除概率将导致解码失败。
[0006] REED and G. Solomon提出了基于纠删码的Reed-Solomon编码，对于较小的W和 册效果理想。然而，其编译码过程要求域运算，计算开销较大，不适用于计算资源受限的水 下传感器网络节点。Tornado codes编码仅涉及异或运算，编译码过程比Reed-Solomon码 快得多，但Tornado codes采用多级二部图编解码，带来较大的计算和通信开销，同样不适 用于低比特率、高能耗的UWSN网络。SDRT采用SVT编码提高编译码效率，但发送节点以非 常缓慢的速率发送窗口外的数据包，降低了信道利用率。莫海宁等人提出了基于GF (256) 随机线性编码的多跳协调协议来保证水下传感器网络的可靠性。然而实际上并不能通过随 机产生的A"个编码向量成功恢复A?个原始包,且其译码复杂度比其他稀疏编码大。此外， 多跳协调机制需要时间的精确同步，且仅局限于只有一对节点通信的简单线形网络拓扑。
[0007] 数字喷泉码是基于二部图的高性能稀疏无码率编码，传输的冗余量不是固定常 数，且能够随着错误恢复算法的执行而动态确定，因此对于任何删除信道的性能都是接近 最优的，是一种轻量级的编解码实现。Luby提出的LT编码能够从接收的多于原始包数量的 编码包中以高概率恢复重构原始数据包。然而，LT码是针对具有大量的数据包的逐块传输 设计的，不适用于由于节点移动造成节点之间传输时间十分有限的水下传感器网络，且LT 码的度分布中存在较多的大度节点，增加了编译码开销和通信开销。
【发明内容】
[0008] 有鉴于此，本发明提出一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，基于码率 无关的数字喷泉码技术，采用优化设计的度分布和递归编码思想，提出RLKrecursive LT) 编码方案。基于RLT编码，并融合传统ARQ实现UWSN的逐块、逐跳地可靠传输。本发明的 可靠传输控制方法适用于水下复杂动态的网络环境，基于递归LT编码的可靠传输控制在 实现UWSN传输可靠性的同时，减小了包冲突和端到端的延时，提高了网络吞吐量和信道利 用率。
[0009] 为了达到上述目的，本发明提供了一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方 法，其特征在于：包括下列几个组成部分： 1)针对水下传感器网络通信特点，对数字喷泉码度分布进行优化设计；在此基础上，采 用递归LT编码，实现快速、高效的编解码和水下传感器网络逐块、逐跳的可靠传输。
[0010] 11)数字喷泉码的度分布采用以下的优化设计：
【主权项】
1. 一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：所述的逐跳可靠传输 控制方法包括如下步骤： 1) 针对水下传感器网络通信特点，对编码包的度分布进行优化设计；在此基础上，采用 递归LT编码，实现快速、高效的编解码，对数字喷泉码和ARQ机制进行有机融合，实现水下 传感器网络逐块、逐跳的可靠传输； 2) 通过收集接收节点的反馈信息，精确评估水声信道的包错误概率，进一步计算下次 传输的编码包数，降低冗余包的传输开销。
2. 如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：所述 的编码包的度分布采用以下设计：
其中，I:表示每个数据块包括I*个原始数据包,编码器对Ir个原始数据包进行编 石马，j是编码包的度，I
表不度为的分布，III表不 期望接收到的度为1的编码包个数，实际通常设置为
参数^表 示期望接收到的冗余编码包数，# >0,冗余包增加了译码成功的概率。
3. 如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于所述的 递归LT编码，采用以下递归编码过程： 用G = 表示一个二级二部图，￡为边集，F为节点集，= D，D表示原始输入包集，C表示编码包集,D中节点与C中节点的连线构成E ;设水 声信道的包错误率为,每个数据块含I个原始数据包r I2 / ? ,编码器根据 度分布Ωι：^生成编码包序列JTp ，其中，
? 1)对集合D中Ir个数据包执行异或操作，生成一个度为t的编码包，复制产生 ;ι，α-巧）|个拷贝； 2 )从原始数据包集合￡),随机选择 |'w...(l -j 个不同的数据包,构成集合Si ,生 成丨 W.(I-P7)I 个度为1的编码包； 3) 令S. = ￡> -',从集合象中，随机选择11 个原始数据包，分别 与集合j中的数据包进行异或操作，生成I f <2(1 - I个度为2的编码包； 4) 令S5 =D-S1 ,如果不为空，随机从集合^S3选择I k/m-ρβ? 个输入包，否则从集合D中选择，分别与来自集合*s':、Si的数据包进行异或运算产生 iy) I个度为3的数据包； 5) 令I4 =D-J1 如果I不为空，随机从集合S4中选择
个数据包，否则从集合￡)中选择，分别与集合 ?S 中的数据包进行异或运算产生
个度为 4的编码包。
4.如权利要求1所述的水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：传输 的编码包数， 1) 首先，发送节点发送^个编码包，
之后转换到接收状态，等待接收 r 反馈信息；参数f将增大接收节点成功译码的概率，因子用于抵消信道误 码带来的包丢失或传输错误； 2) 接收节点的反馈信息包括接收到的帧的数量_\\以及不能重构的原始包数,则 f i 包错误率为 下次传输的编码包数为 ，度分布式中，用,A. 1
代替Ir进行递归编码，如此反复，直到译码成功。
【专利摘要】本发明公开了一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，基于码率无关的数字喷泉码技术，采用优化的度分布和递归编码思想，设计了RLT（recursive LT）编码方案，实现快速、高效的编解码，减小了包冲突和端到端延时，提高了网络吞吐量；通过收集接收节点的反馈信息，精确评估水声信道的包错误概率，进一步计算下次传输的编码包数，降低了冗余包的传输开销；将传统TCP/IP协议栈位于第四层可靠传输机制与位于第二层的介质访问控制机制进行有机的融合，基于RLT编码，实现了水下传感器网络的逐块、逐跳的可靠传输，减少了由于水声Modem的单工通信导致的发送-接收冲突、多发送-单接收冲突以及数据-ACK冲突；该方法作为一种有效、实用的技术方案，应用前景看好。
【IPC分类】H04L1-00, H04L1-16
【公开号】CN104539387
【申请号】CN201410702223
【发明人】杜秀娟
【申请人】杜秀娟
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年11月28日