一种水下传感器网络架构的制作方法

本发明涉及水下传感器网络技术领域，尤其涉及一种水下传感器网络架构。

背景技术：

水下传感器网络(uwsn)与地面传感器网络之间的差异之一是通讯方式。声学通信被认为是uwsn最实用的方法。水声信道通常具有高衰减，长传播延迟，高误码率和低可用带宽的特点。由于这些特点，一部分在地面传感器网络中被广泛接受的假设在uwsn中并不适用，现有的地面网络协议也不能直接采用。过去几年来，学术界和工业界对uwsn的兴趣日益增长。许多应用、网络协议、设备纷纷浮现。可是上述大多数设计都是基于特定应用的，他们之间通常缺乏兼容性。并且，由于资源有限，大部分uwsn相关研究的测试平台仍限于计算机的仿真模拟。这样，因为不同的假设基础和平台差异，很难对基于同一问题的不同解决方案类进行比较。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种水下传感器网络架构，包括：

传输层，用于对用户输入的数据进行处理，得到多个数据分组，并根据所述网络层中预存储的路由表选取传输路径，根据所述传输路径将所述数据分组均发送到所述网络层的管理队列；

网络层，用于根据队列管理机制从所述管理队列中获取所述数据分组后，将所述数据分组发送到所述mac层的等待队列；

mac层，用于获取所述水声信道的信道条件，当所述水声信道空闲时，从所述等待队列中获取所述数据分组，并通过所述水声信道向接收方发送所述数据分组。

进一步，所述网络层还包括：路由更新模块，用于根据通过所述传输路径传输前的数据分组与通过所述传输路径传输后的数据分组确定所述传输路径的路由信息；通过所述路由信息对所述预存储的路由表进行更新。

进一步，该还包括：垂直层，所述垂直层与应用层、传输层、网络层、mac层和物理层均分别连接，用于存储所述用户输入的数据、接收所述用户输入的数据时的延迟、接收所述用户输入的数据时的丢包率、根据所述传输路径将所述数据分组均发送到管理队列时的包传输错误率、水声信道的信道条件、发送功率和信道分配方式；

所述网络层中还包括：定位服务表；所述mac层，还用于获取所述水声信道中各传输节点的位置信息，并发送到所述网络层；

所述网络层对预存储的传输节点的定位服务表进行更新；

所述传输层，具体用于，根据所述定位服务表中各传输节点的位置信息和所述预存储的路由表选取最优传输路径。

进一步，所述mac层，具体用于，当所述mac层的等待队列接收到数据分组时，获取所述水声信道条件；判断所述水声信道是否空闲，是则，通过所述水声信道向接收方发送数据分组，并等待接收方反馈的ack，当接收到反馈的ack时，判断所述ack是否对应所述数据分组，如果是，数据发送成功，将所述数据分组从所述等待队列删除，如果否，重新发送所述数据分组；否则，判断所述数据分组的发送次数是否等于预设的最大重传次数，如果是，放弃发送所述数据分组，将所述数据分组从所述等待队列删除，如果否，利用退避算法重新发送所述数据分组，并将所述数据分组的发送次数和利用退避算法重新发送所述数据分组的退避时间存储在所述垂直层中。

进一步，所述物理层还包括：泊松流量生成器，用于生成一组指数分布数字，将所述指数分布数字作为通过所述水声信道向接收方发送所述数据分组的间隔时间；

所述指数分布数字为：

其中t为指数分布数字，u为根据所有数据分组的个数在区间(0,1)内均匀分布，λ为预设置的数据分组到达所述水声信道速率。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明通过构建了一个水下传感器网络架构，兼顾了水下传感器网络研究的发展和实际应用的需求，其可扩展性和灵活性能够适应水下应用的快速发展和底层物理设备的更新换代，以降低层与层之间的耦合性，提高的可扩展性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种水下传感器网络架构结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种水下传感器网络架构结构示意图，包括：

应用层，用于接收用户输入的数据；并发送到传输层；应用层主要负责不同主机上的进程间的通信；经过在应用层上实现的协议的处理后，生成的数据经过伪bsd套接字接口交付给传输层；

传输层，用于对用户输入的数据进行处理，得到多个数据分组，并根据网络层中预存储的路由表选取传输路径，根据传输路径将数据分组均发送到网络层的管理队列；传输层主要功能是向用户提供可靠的端到端(end-to-end)服务，它向高层屏蔽了下层数据通信的细节；传输层协议将数据作进一步处理然后封装成数据报递交给网络层；

网络层，用于根据队列管理机制从管理队列中获取数据分组后，将数据分组发送到mac层的等待队列；网络层主要功能是为数据在结点之间传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为数据由源节点到目的节点的传输选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互联等功能；网络层从队列中提取待处理的数据，然后给数据封装上网络层相关信息，再交付给mac层；且上层数据通过该接口递交给下一层时先进入队列中排队等候，由下一层协议按一定的优先级顺序从队列中提取数据；

mac层，用于获取水声信道的信道条件，当水声信道空闲时，从等待队列中获取数据分组，并通过水声信道向接收方发送数据分组；mac层主要功能是解决点到点的传输，即如何将数据正确高效地传输到下一节点，包括解决共享信道的冲突等问题，mac层将数据进一步处理封装成帧交付给物理层，物理层最终将数据输送到物理信道上，完成数据发送；物理层主要功能是为数据传输提供物理媒介，并尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒介的细节，以降低层与层之间的耦合性，提高的可扩展性。

在本实施例中，网络层还包括：路由更新模块，用于根据通过传输路径传输前的数据分组与通过传输路径传输后的数据分组确定传输路径的路由信息；通过路由信息对预存储的路由表进行更新。

在本实施例中，该还包括：垂直层，垂直层与应用层、传输层、网络层、mac层和物理层均分别连接，用于存储用户输入的数据、接收用户输入的数据时的延迟、接收用户输入的数据时的丢包率、根据传输路径将数据分组均发送到管理队列时的包传输错误率、水声信道的信道条件、发送功率和信道分配方式；跨层设计对传感器网络至关重要。其一，的能耗受各层的影响，各层应该相互配合以降低整个的能耗。其二，在一个衰减严重的网络信道中，跨层设计可以更好地提高吞吐量；物理层为其他层提供了例如ber的信道状况信息、发送功率信息、信道分配信息；数据链路层(mac层)提供了重传次数信息、退避时间信息；网络层提供了移动ip切换开始/结束信息；传输层提供了包错误率；应用层提供了可接受延迟和丢包信息；用户层面提供了用户的行为和端到端的延迟。

网络层中还包括：定位服务表；mac层，还用于获取水声信道中各传输节点的位置信息，并发送到网络层；

网络层对预存储的传输节点的定位服务表进行更新；

传输层，具体用于，根据定位服务表中各传输节点的位置信息和预存储的路由表选取最优传输路径。

在本实施例中，mac层，具体用于，当mac层的等待队列接收到数据分组时，获取水声信道条件；判断水声信道是否空闲，是则，通过水声信道向接收方发送数据分组，并等待接收方反馈的ack，当接收到反馈的ack时，判断ack是否对应数据分组，如果是，数据发送成功，将数据分组从等待队列删除，如果否，重新发送数据分组；否则，判断数据分组的发送次数是否等于预设的最大重传次数，如果是，放弃发送数据分组，将数据分组从等待队列删除，如果否，利用退避算法重新发送数据分组，并将数据分组的发送次数和利用退避算法重新发送数据分组的退避时间存储在垂直层中，该功能具体流程为当上层协议有数据要发送时，监听信道是否空闲，如果空闲则进入下一过程如果信道占用则数据进入等待队列。发送数据分组后，等待本次分组的ack反馈。如果成功接收当前数据分组的ack，意味着当前数据分组已经成功被接收端接收，则在待发送的分组队列中删除本分组的数据，并等待下一次发送任务。如果接收到的ack不是针对本次发送分组的，则等到信道空闲时重新发送当前数据分组，重传过程持续到接收到正确的ack为止，这个过程中如果超过最大重传次数，将放弃本次要发送的数据分组，同样删除待发送分组队列中本分组的数据，相对应的，接收方接收数据分组的过程。通过对信道的监听，接收监听到的分组，并在信道空闲时发送ack向发送方提供反馈。

在本实施例中，物理层还包括：泊松流量生成器，用于生成一组指数分布数字，将指数分布数字作为通过水声信道向接收方发送数据分组的间隔时间；

指数分布数字为：

其中t为指数分布数字，u为根据所有数据分组的个数在区间(0,1)内均匀分布，λ为预设置的数据分组到达水声信道速率；我们设置数据分组到达某个节点的速率为λ。并增加发送节点的数量由1到5，测量吞吐量。我们在两种情景下测试了mac协议：第一种情况下，总体数据生成速率是固定的，并且均摊到各个节点。例如，如果只有一个发送节点，则数据到达速度为λ；如果有n个发送节点，则每个发送节点的数据到达率为第二种情况下，单个节点具有固定的数据到达率λ，所以如果n个节点正在发送，则总数据到达率为nλ；在第一种情况下，总数据到达率是相同的。使用80bps的调制解调器，发送一个数据包至少需要3.2(输送数据包到信道)+ε秒，ε包括调制解调器的模式切换时间等开销，因此最大到达速率应小于1/3.2＝0.3125。当mac协议起作用时，会引入额外的开销。发送方需要等待ack或超时。在最好的情况下，需要2×(3.2+ε)，所以最大可能吞吐量进一步降低至所以λ的上限为在本次测试中，我们将总λ设置为0.1，这意味着平均每10秒发送一个分组。这意味着最大吞吐量等于25.6bps。吞吐量随着发送节点的增加而下降。但是，发送节点超过3个时，两种情况的差异很小。这是因为正在接近该水声信道利用率的上限。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。