一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法

本发明涉及水声通信方法领域，尤其涉及一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法。

背景技术：

1、以声波为载体进行数据传输是当今最有效的水下远距离无线通信的方法之一，也是水下远距离通信的主要形式，其广泛应用于海洋观测、海况预警监测等各个领域。为了提升水声节点间通信的稳定性，保证其可靠通信的同时降低水声节点的能量消耗，针对水声通信过程中由于信道的时变特性、多径干扰、多普勒扩展而引起的数据丢失，需要设计合适的重传方案以保证节点间数据的可靠传输。

2、现有的自适应传输方法中，有的方法基于深度神经网络进行水声通信模型的建立与训练，从而实现水声通信体制的自适应选取并进行数据传输，此类方法将信噪比、时延、多普勒等特征，人为建立量化评分表进行性能划分，将大量样本送入网络进行训练，利用训练后的模型进行通信体制的选取；但由于水下环境的多变性，其模型的输入样本有效期限不长，在不同海域下其模型适应能力差异较大，且其深度神经网络的部署需要功耗较高的硬件支持，水下节点的能源有限，应将大部分能量用于数据传输上，提高数据传输效率。有的方法中使水下节点通过广播信号进行时钟同步，为每一节点分配合理的时隙进行数据重传，避免到达数据的碰撞；但因为需要在数据传输前通过大量的数据传输来进行节点状态的校正，降低了整体的信道利用效率，且不适用于会发生位置偏移的水下节点。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法。

2、具体技术方案如下：

3、一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法，包括以下步骤：

4、步骤一：发送节点向目标节点传输数据并开启定时器；

5、步骤二：目标节点接收数据，处理后向发送节点传输；

6、步骤三：判断发送节点是否成功接收目标节点传输的数据，若在重传超时时间内所述发送节点未收到或未能完全正确接收到所述目标节点传输的数据，则按照重传规则进行重传；

7、步骤四：发送节点与目标节点完成双向通信，将通信过程中的各项特征输入并更新发送节点内部存储的其他节点信息表；

8、所述重传规则为：设定最大重传次数上限ltotal，以及从小到大依次排列的不同传输速率r0，…，rn下，对应的重传次数上限ltotal与之间的关系为：

9、

10、若发送节点未能接收到目标节点反馈的数据，则发送节点保持当前速率ri对目标节点进行重传，但不超过当前速率的重传上限次数若达到重传次数上限时仍未接收到目标节点反馈的数据，则将传输速率降低为ri-1，并继续进行重传；当目标节点反馈的数据多次重传后能被正确接收，或达到最大重传上限次数ltotal时，停止传输；

11、若发送节点能同步到目标节点反馈的数据，则将上次与该目标节点成功传输后记录在发送节点内部存储的其他节点信息表的内容与本次进行对比，若无上次成功传输的记录则将默认方式信息与本次进行对比，将本次的测算距离作为下一次重传的参数选择依据；

12、若发送节点仅获取目标节点的信噪比而无发送节点与目标节点的距离信息时，则选取该信噪比下的最佳数据帧长度进行重传；若仍然未能完全正确传输，则按照发送节点未能接收到目标节点反馈的数据的情况进行降速重传，直到被正确接收或达到最大重传上限次数ltotal时停止传输。

13、进一步地，所述步骤一具体为：当发送节点向目标节点进行数据传输时，检索发送节点内部存储的其他节点信息表，若发送节点与该目标节点进行过数据传输，则检索上次与该目标节点通信时的特征信息，选取上一次成功传输的音量与调制方式进行数据传输；若发送节点未与该目标节点进行过数据传输，则按照人为设定的节点传输方式进行数据传输；所述发送节点在发送lfm的第一个点时开启内部定时器，进行测距计时。

14、进一步地，所述特征信息包括：目标节点序号、目标节点与当前节点的测算距离、上次传输的发声音量、发送节点信噪比、目标节点信噪比。

15、进一步地，所述步骤二具体为：目标节点接收数据的同时开启内部定时器，并将目标节点的总处理时间作为通信数据，与目标节点的信噪比一并合入ack帧中封装，并在定时的总处理时间到达后，将封装好的ack帧向发送节点传输。

16、进一步地，所述步骤三中，采用自适应阈值检测算法判断发送节点是否接收到目标节点反馈的数据，具体操作如下：

17、(1)节点对收到的lfm信号r(t)与本地lfm序列完成自相关同步检测，表达式为：

18、

19、式中，l为lfm信号在一定采样率下的长度，c(m)代表节点本地缓存的lfm信号的离散表达形式；r(m)是r(t)的离散表达形式；节点本地缓存的lfm信号的表达式如下：

20、

21、式中，c(t)为节点本地缓存的lfm信号，为连续信号，a(t)是线性调频脉冲的包络，fs是lfm信号的起始频率；τ为脉冲宽度，即lfm信号持续时间；b为频率变化范围；t为时间；

22、节点收到的lfm信号为r(t)，其表达式为：

23、r(t)＝c(t)*h(t)+n(t)

24、式中，h(t)为整个水声信号传输链路中的等效信道，n(t)为高斯白噪声；

25、(2)对完成自相关同步检测后的rr(z)进行归一化处理，表达式如下：

26、

27、

28、

29、式中，u(z)表示节点收到的lfm信号自相关同步检测的能量，r(z)为该段自相关同步检测的总能量的平均值；q(z)为u(z)和r(z)的比值；

30、(3)将q(z)与节点所设定的同步阈值相比较，若q(z)大于所设定的阈值，则代表检测到lfm信号，完成数据同步。

31、进一步地，所述重传规则发送节点能同步到目标节点反馈的数据的情况中，将本次的测算距离作为下一次重传的参数选择依据，具体为：当本次的测算距离大于上一次，且本次的目标节点信噪比小于上一次时，则提高发声音量进行数据帧传输；其余情况均维持上一次的发声音量进行传输。

32、进一步地，所述发送节点与目标节点的距离di计算表达式如下：

33、

34、式中，ttotal为发送节点记录的总时长，从发送节点向目标节点进行数据传输开始计时，发送节点同步到目标节点的数据后立即停止计时；treply为接收节点总处理时间，tlfm为发送节点与目标节点使用lfm同步的时长。

35、本发明的有益效果是：

36、(1)本发明在节点通信的同时进行距离测算，减少了反馈冗余，提高了数据的利用效率。

37、(2)本发明将节点特征信息纳入重传规则的选择标准，通过多次传输过程中节点内部存储的其他节点信息表的更新迭代，自适应选择最适合的重传方案，提高了节点间的数据传输吞吐量，提升了节点在不同水声信道条件下的适应性。

技术特征：

1.一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述步骤一具体为：当发送节点向目标节点进行数据传输时，检索发送节点内部存储的其他节点信息表，若发送节点与该目标节点进行过数据传输，则检索上次与该目标节点通信时的特征信息，选取上一次成功传输的音量与调制方式进行数据传输；若发送节点未与该目标节点进行过数据传输，则按照人为设定的节点传输方式进行数据传输；所述发送节点在发送lfm的第一个点时开启内部定时器，进行测距计时。

3.根据权利要求2所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述特征信息包括：目标节点序号、目标节点与当前节点的测算距离、上次传输的发声音量、发送节点信噪比、目标节点信噪比。

4.根据权利要求1所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述步骤二具体为：目标节点接收数据的同时开启内部定时器，并将目标节点的总处理时间作为通信数据，与目标节点的信噪比一并合入ack帧中封装，并在定时的总处理时间到达后，将封装好的ack帧向发送节点传输。

5.根据权利要求1所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述步骤三中，采用自适应阈值检测算法判断发送节点是否接收到目标节点反馈的数据，具体操作如下：

6.根据权利要求1所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述重传规则发送节点能同步到目标节点反馈的数据的情况中，将本次的测算距离作为下一次重传的参数选择依据，具体为：当本次的测算距离大于上一次，且本次的目标节点信噪比小于上一次时，则提高发声音量进行数据帧传输；其余情况均维持上一次的发声音量进行传输。

7.根据权利要求1所述的基于距离测算的水声节点自适应重传方法，其特征在于，所述发送节点与目标节点的距离di计算表达式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于距离测算的水声节点自适应重传方法，包括以下步骤：发送节点向目标节点传输数据并开启定时器；目标节点接收数据，处理后向发送节点传输；判断发送节点是否成功接收目标节点传输的数据，若在重传超时时间内所述发送节点未收到或未能完全正确接收到所述目标节点传输的数据，则按照重传规则进行重传；发送节点与目标节点完成双向通信，将通信过程中的各项特征输入并更新发送节点内部存储的其他节点信息表。本发明在节点通信的同时进行距离测算，提高了数据的利用效率；将节点特征信息纳入重传规则的选择标准，并不断更新，提高了节点间的数据传输吞吐量，提升了节点在不同水声信道条件下的适应性。

技术研发人员：瞿逢重,陈熙铭,楼汀炜,郑纪星,涂星滨,魏艳,李志鹏,杨劭坚,陆雪松
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14