水下传感器网络中一种生物友好的数据传输方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于水下传感器网络技术领域，设及一种数据传输方法。
【背景技术】
[0002] 水下传感器网络是目前无线通信领域的研究热点，其广泛的应用前景推动着水声 通信的研究不断走向深入。水下传感器网络与许多其他水下声学系统共存，如水下生物系 统，声响系统，海洋石油钻探系统等。其中水下生物系统最为特殊。水下生物系统由水下生 物构成，如白海豚，宽吻海豚等。水下生物系统中的各种生物使用声信号进行通信，如种群 定位，群体交流，觅食等。和人工声系统不同，水下生物系统为不受控系统，水下生物始终按 照自身的需求进行通信，不会理会人为协议的安排。此外生物系统较为脆弱，较强的声波信 号会干扰到生物的正常通信，易引发生物之间通信的混乱。运就对水下传感器网络提出了 更好的通信要求。
[0003] 针对目前水下传感器网络未考虑可能对水下生物产生干扰的情况，本发明提出了 一种生物友好的数据传输方法。该方法要求水下传感器节点定时监听水下生物信号，并根 据接收到的功率信息对生物进行定位，同时合理安排自身的发送过程，在生物经过的时间 范围内停止发送信号，W避免对生物产生不利影响。
【发明内容】
[0004] 本发明关注到水下传感器网络周围同时存在着水下生物的情况，在考虑传感器节 点的通信流程时，设计一种生物友好的数据传输方案。本发明的技术方案如下：
[0005] 水下传感器网络中一种生物友好的数据传输方法，包括下面的方面：
[0006] (1)水下传感器网络由发送节点和接收节点组成，收发节点之间使用声信号进行 数据传输，各个传感器节点所发送的信号的覆盖范围相同，在二维平面覆盖范围半径为r的 圆，若生物在信号覆盖范围内时，认为节点发送的信号会对生物产生干扰。
[0007] (2)设生物发声的功率为P;生物信号的覆盖范围为半径为R的圆，在生物运动过程 中，当该圆覆盖到传感器节点时，节点通过监听信道可W检测到生物的存在，设生物运动速 度为V，运动为直线；
[000引（3)传感器网络中的收发节点在进行数据传输过程中，需要避免对周围的水声生 物产生干扰，W实现生物友好的通信目标，方法为:节点周期性地检测生物信号，并根据生 物信号的功率定位其位置;根据相邻两次定位获得的生物位置信息，确定生物的运动轨迹； 计算生物在节点信号覆盖范围内的逗留路径和逗留时间；当生物运动到节点信号覆盖范围 内时，节点暂停发送信号，暂停的持续时长为t;当生物未进入信号覆盖范围或运动离开覆 盖范围后，节点可W继续发送。
[0009]本发明通过生物的发声功率定位生物的位置，并根据生物的运动情况来安排节点 发送信号的时间，W实现生物友好的数据传输。
【附图说明】
[0010] 图1. W收发节点连线所在直线为X轴，收发节点间的垂直平分线为Y轴，建立平面 直角坐标系
[0011] 图2.生物运动到A点，节点N检测到生物的存在
[0012] 图3.计算生物在节点覆盖范围内的逗留长度和逗留时间（情况一:收发节点M，N均 可能干扰到生物通信）
[001引图4.计算生物在节点覆盖范围内的逗留长度和逗留时间（情况二:仅接收节点M可 能干扰到生物通信）
[0014] 图5.计算生物在节点覆盖范围内的逗留长度和逗留时间（情况收发节点均不 会干扰到生物通信）
【具体实施方式】
[0015] 根据本发明所设及到的通信场景，需要建立平面直角坐标系对具体的
【发明内容】
进 行说明。发送节点N和接收节点M所发出的信号在二维平面内可简化为一个半径为r的圆，现 W两个圆的圆屯、连线所在的直线为X轴，两圆圆屯、连线的垂直平分线为Y轴，建立平面直角 坐标系，如图1所示。设发送节点财日接收节点M间的距离为d，则发送节点N的坐标为
，发 出信号的覆盖范围是方程0,
所对应圆的内部和边界；同理接收节点M点的坐 标为
，其发出信号的覆盖范围是方程〇,
所对应圆的内部和边界。
[0016] 本发明所设计的方案需要节点周期性地监听信道，检测是否有生物信号出现。通 过频繁地监听信道，节点可在第一时间检测到周围生物的存在。节点第一次检测到生物信 号时，需要根据接收到的生物信号的功率对生物进行定位，设此时生物位于A点，坐标为 (xi，yi)。之后节点仍会监听信道，若仍然接收到了生物信号，则可再次对生物的位置进行定 位，设此时生物位于B点，坐标为(X2，y2)，如图2所示。
[0017] 根据A，B两点的位置，节点可获得生物运动的轨迹。在间隔很短的监听时间内，可 W认为生物的运动轨迹为一直线，因此由A，B两点的坐标，可求得生物运动的轨迹方程，为 满足式(1)的一条直线L:
) (1)
[0019] 其中直线L与X轴正半轴的夹角为0，L的斜率为
[0020] 根据生物的运动轨迹和收发节点所发射信号的覆盖范围，可W计算出节点经过信 号覆盖范围的路径，和生物在信号覆盖范围内的路径长度。过点N和点M分别向直线L做垂 线，与L的交点分别为点C和点D。线段CN的长度扇为点N距直线L的距离，线段DM的长度疏 为点M距直线L的距离，具体计算方法如下：
[0021] 点N距直线L的距离
[0022] 点M距直线L的距离
[0023] 将CN的长度琢和面的长度扇?与收发节点信号的覆盖半径r比较，分别对应着如 下S种情况：
[0024] 1.情况一：涼<^且瓦7 说明生物运动轨迹与收发节点的信号覆盖范围都有交 点，即收发节点的信号都有可能干扰到生物通信，如图3所示。
[0025] 在运种情况下，直线L与圆Oi相交于点E，与圆〇2相交于点F，线段EF就是生物在收 发节点信号覆盖范围内的路径，生物在线段EF范围内运动时间即是生物在节点覆盖范围内 的逗留时间。现计算EF线段的长度。如图所示，过点N和点M分别向直线L做垂线，与L的交点 分别为点C和点D。并过点D做X轴的平行线，与线段CN相交于点G。线段EF的长度可分为S部 分计算，分别如下：
[0026] (1)计算线段CE的长度:已知线段CN的长度打，在直角；角形CEN中，
[002引（2)计算线段CD的长度：
[0029] DGNM为平行四边形，因此有馬.=掘^=.￡|。
[0030] 由直线L的斜率可知，
[0033] 在直角S角形DEG中，；
[0034] (3)计算线段DF的长度:已知线段DM的长度瓦7,在直角S角形DFM中，
[0036]由上述S个步骤可计算出线段EF的长度尿，即京=远+凉+谅.。
[0037] 2.情况二:生物运动轨迹仅与一个节点的信号覆盖范围有交点，即只有一个节点 的信号有可能干扰到生物通信。现W 远?<r为例进行说明，即发送节点的信号不会 干扰到生物通信，接收节点的信号可能干扰生物通信，如图4所示。
[003引在运种情况下，直线L与Oi没有交点，直线L与O 2相交于点E和点F。线段EF即为生 物在接收节点信号范围内的运动路径，现计算线段EF的长度面。
[0039]已知线段DM的长度雨巧直角S角形DEM中，
[0042] 3.情况=:生物运动轨迹与收发节点均无交点，即收发节点间的通信不会干扰到 生物通信，如图5所示。
[0043] 在运种情况下，收发节点间的通信不需要考虑生物存在的影响，可按照已有的通 信流程进行数据的收发。
[0044] 针对情况一和情况二，依据计算出的线段EF的长度显，并结合生物在水下运动的 速度V，可计算出生物从进入信号覆盖范围到运动离开信号覆盖范围所用的时间t，/ = ^。 V
[0045] 由于节点在生物处于A点处就检测到它的存在，但由于AN两点间的距离而大于节 点信号的覆盖范围的半径W ^>r)，因此处在A位置的生物并不会接收到传感器节点的信 号，此时收发节点仍可正常通信；同时当生物运动逐渐远离时，生物和节点间的距离也将大 于信号的覆盖范围，因此节点可恢复正常的数据发送过程。
[0046] 根据上述计算，节点可W安排生物友好的收发方案，具体为：
[0047] (1)节点周期性地检测生物信号，并根据生物信号的功率定位其位置；
[0048] (2)根据相邻两次定位获得的生物位置信息，确定生物的运动轨迹；
[0049] (3)计算生物在节点信号覆盖范围内的逗留路径和逗留时间t;
[0050] (4)当生物运动到节点信号覆盖范围内时，节点暂停发送信号，暂停的持续时长为 t;当生物未进入信号覆盖范围或运动离开覆盖范围后，节点可W继续发送。
【主权项】
1.水下传感器网络中一种生物友好的数据传输方法，包括下面的方面： (1) 水下传感器网络由发送节点和接收节点组成，收发节点之间使用声信号进行数据 传输，各个传感器节点所发送的信号的覆盖范围相同，在二维平面覆盖范围半径为r的圆， 若生物在信号覆盖范围内时，认为节点发送的信号会对生物产生干扰。 (2) 设生物发声的功率为P;生物信号的覆盖范围为半径为R的圆，在生物运动过程中， 当该圆覆盖到传感器节点时，节点通过监听信道可以检测到生物的存在，设生物运动速度 为V，运动为直线； (3) 传感器网络中的收发节点在进行数据传输过程中，需要避免对周围的水声生物产 生干扰，以实现生物友好的通信目标，方法为:节点周期性地检测生物信号，并根据生物信 号的功率定位其位置;根据相邻两次定位获得的生物位置信息，确定生物的运动轨迹;计算 生物在节点信号覆盖范围内的逗留路径和逗留时间；当生物运动到节点信号覆盖范围内 时，节点暂停发送信号，暂停的持续时长为t;当生物未进入信号覆盖范围或运动离开覆盖 范围后，节点可以继续发送。
【专利摘要】本发明涉及水下传感器网络中一种生物友好的数据传输方法，包括：传感器网络中的收发节点在进行数据传输过程中，需要避免对周围的水声生物产生干扰，以实现生物友好的通信目标，方法为，传感器网络中的收发节点需要周期性地监听信道，检测有无生物信号，当检测到水下生物的存在时，节点需要对生物进行定位，当生物运动到节点信号的覆盖范围内时，节点需要停止发送，并等待生物运动离开覆盖范围后再继续发送，以避免人工信号干扰生物间的正常通信。本发明通过生物的发声功率定位生物的位置，并根据生物的运动情况来安排节点发送信号的时间，以实现生物友好的数据传输。
【IPC分类】H04W4/02, H04W84/18
【公开号】CN105554698
【申请号】CN201510875245
【发明人】李雅婧, 金志刚, 苏毅珊
【申请人】天津大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月2日