基于并行协作空时复用的uan数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声网络技术，设及水声通信、无线网络、传感器技术等相关学科。
【背景技术】
[0002] 隔水管疲劳监测网络是由一个位于水面W下的目的节点和若干沿隔水管分布的 源节点构成的线性拓扑结构的水声网络扣AN)。随着海洋石油进军深水和超深水区域，隔水 管疲劳监测网络由节点稀疏的网络一跃成为覆盖范围广、节点密集的大规模高密度水声网 络，如图1所示。
[0003] MC协议的功能是如何解决多个节点高效、合理的共享有限的信道资源问题。目前 的MC协议主要有FDMAXDMA和TDMAS种。由于水声信道的窄带特征、衰减和多径导致的 带限系统的易损性W及远近效应，FDMA不适合线性拓扑的隔水管疲劳监测网络。
[0004] CDM不存在节点冲突，在水声多径导致频率选择性衰落方面具有较强的鲁棒性。 此外，CDMA协议可W提高信道复用减少包重传，降低功耗，提高网络吞吐量。但是，CDMA协 议的系统复杂，目前应用于水声网络还需很长的路要走。
[0005]由于水声信道的大时延、高衰减、窄带宽W及节点能量受限特性，大规模密集监测 网络若采样TDM方法，则水声监测网络的时延和功耗等将急剧增大，降低网络效率。TDM 不适用于大规模密集水声监测网络。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种并行协作空间复用的水声监测网络数 据传输方法，能够降低大规模密集水声网络的时延和功耗，延长其服役寿命，提高网络效 率。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括W下步骤：
[000引第一步，对于N个源节点和1个目的节点构成的等距离线性拓扑水声监测网络，Si,S2,S3，…，Si, ."Sn表示N个源节点的排序，序号为奇数的源节点S1、S3、Ss、."A同时 将数据依次传输给序号为偶数的源节点S2、S4、Se、…Sk,j《N，k《N且k声j;对于源节 点Sw，若序号为奇数，其数据发送给目的节点，否则源节点Sw接收相邻的上一节点发射的 数据；
[0009] 第二步，序号为偶数的源节点将所接收的数据与自身产生的数据包进行合并，形 成新数据包；目的节点只负责接收数据包，不进行包合并；
[0010] 第=步，序号为偶数的源节点将形成的新数据包按顺序从小到大同时发送给相邻 的下一节点；
[0011] 第四步，第=步中接收数据的节点将所接收的数据同时依次往相邻的下一节点发 送；
[0012] 第五步，重复第=步和第四步，直到所有的数据传输至目的节点为止。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014]I.降低了监测网络的数据传输时延。时延的降低得益于：1)数据并行传输与节点 协作允许网络多个节点同时传输数据，从而节约了数据传输时间，极大的降低了数据的传 输时延。2)通信距离降低，数据速率增大，发送耗时减小，数据包不变的条件下，发明采样的 方案降低了传输时延。
[001引 2.降低了系统能耗。能耗的降低得益于：1)本发明使得单跳距离缩短，W较小的 发射功率即可获得相同误包率。时延不变时，传输同等长度的数据包，本发明的能耗更小。 2)单跳距离缩短，发射速率增大，发射时延降低，同时，发射功率也变小。时延和功率同时变 小的情况下，总能耗与现有技术相比，大幅降低。
【附图说明】
[0016] 图1是隔水管监测网络示意图；
[0017] 图中al表示隔水管，曰2为深水钻井平台，曰3为海底井口，曰4为位于水面W下的接 收节点，a5为若干沿隔水管布放的监测节点。
[0018] 图2是并行协作空时复用原理图，其中，图2(a)表示监测网络的拓扑结构，图2化） 给出了并行协作空时复用原理；
[0019] 图中黑色S角表示目的节点，并用D表示，黑点表示源节点，分别编号为 (Si, S2, S3,…，Si,…，Sn,1《i《N}，图中开阔箭头表示数据包传输方向，即所有源节点的数 据包都将被传输至目的节点D;燕尾箭头表示一个数据包的从一节点传输至相邻的下一节 点；黑色圆圈表示本周期内源节点没有数据包传输或协作其他节点，而进入休眠状态。
[0020] 图3表示为本发明与TDM时延和能耗结果第一示意图。
[0021] 图4表示为本发明与TDMA时延和能耗结果第一示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0023] 本发明提供一种并行协作空时复用的数据传输方法。对于N个源节点和1个目的 节点构成的等距离线性拓扑水声监测网络，该方法通过源节点之间的协作，降低网络系统 的总时延和总能耗，提高网络性能。为实现上述目的，本发明采取W下技术方案：
[0024] 第一步，数据并行传输。序号为奇数的源节点si、S3、％、…，S，，j《N，同时将数 据依次传输给序号为偶数的源节点S2、S4、Se、…Sk,k《N且k声j。对于源节点却，若序 号为奇数，其数据发送给目的节点，否则，其接收上一节点发射的数据。其中Si,S2,S3,…， Si,…，Sn，1《i《N为对N个源节点的排序。
[0025] 第二步，节点协作与数据包合并。第一步接收数据的源节点，将所接收的数据与自 己产生的数据包进行合并，形成长度为原数据包2倍的新数据包。目的节点只负责接收数 据包，不进行包合并。
[00%] 第=步，新数据并行传输。序号为偶数的源节点所形成的新数据包按顺序从小到 大同时发送给下一节点，即新数据包由源节点S2、S4、Se、…Sk,k《N，同时传输至节点S3、Ss、S?、…，s.j，j《N 且 j 声 k。
[0027]第四步，第S步中接收数据的节点，目的节点除外，将所接收的数据继续同时依次 往与之相邻的下一节点发送。
[0028] 最后，对第=步和第四步的内容进行循环，直到所有的数据传输至目的节点为止。
[0029] 下面对上述方法进行理论推导，并通过实例说明发明效果。
[0030] 首先，根据图2,对节点和数据传输时隙进行编号。将源节点按与目的节点距离由 远及近进行编号为Si,S2,S3,…，Si,…，Sw, 1《i《N。每个源节点产生一个数据包，其长度为 L。N个数据包全部传输到目的节点D的时间为一个周期。根据并行协作空时复用方法（简 记PCSTR)的原理，PCSTR的一个周期被分为N个时隙，每个时隙的长度等于数据包从发射到 下一节点接收所耗时间。一个周期内，所有时隙排序为{Ti，Tz,Ts,…，Tl,…，町，1《i《N}。
[0031] 假设源节点Si与目的节点之间的距离为d，则任意相邻节点间的距离为ds=d/ n。PCSTR的时延和能耗公式推导如下：
[0032] 6. 1PCSTR的时延
[0033] 任意单跳的传输时延由=部分构成：发送时延，传输时延和接收时延
[0034] 时隙Tl中，时延为
[00 对
（1)
[0036] 其中L为数据包长度，C为水中声速1500m/s，fW为接收端采样频率，！为传输距 离，R为数据发送速率，单位化PS，其满足
[0037]
[00測时隙Tz至T冲，每个时隙的时延相等，均为
[00例
似
[0040] 其中L为数据包长度，C为水中声速1500m/s，fW为接收端采样频率，！为传输距 离，R为数据发送速率，其满足RX1 = 40km冲bps。
[0041] 贝IJPCSTR方法的总时延为：
[0042]
城 阳0创其中L为数据包长度，C为水中声速1500m/s，fW为接收端采样频率，！为传输距 离，R为数据发送速率，其满足RX1 = 40km冲bps。
[0044] 作为比较，一跳直达的TDMA方法的源节点Si(1《i《n)的时延为：
[0045]
曲
[0046] 式中，n为源节点数量，L为数据包长度，C为水中声速，取值为1500m/s，1为传