[发明专利]一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法

说明书

本发明公开了一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，本方法中水下传感器节点部署于三维水下空间中，汇聚节点部署在水面上，节点按照所处深度划分为不同的簇，靠近汇聚节点垂直线的节点被选为网关节点，普通节点收集到数据包在指定时间间隙内向其簇内网关节点传输，网关节点将簇内数据包融合后，再沿垂直方向进行簇间数据传输。汇聚节点对节点通信时隙进行统一调度，相邻簇间节点在同一时隙进行错位通信，避免信号相互干扰；簇内使用基于网络编码的CSMA改进机制进行通信，降低传输冲突，减少重传次数。本发明通过相邻簇错时隙传输的设计，实现了网络跨层设计，很大程度上避免了数据传输冲突，从而提高数据传输可靠性，减少通信时延。

技术领域

本发明涉及一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

由于电磁波、光信号在水中衰减严重，在现有技术中广泛应用于水下通信的是声信号，与广泛应用的电磁波、有线传输的技术相比，声信号面临巨大的挑战：

(1)带宽低；

(2)延时高；

(3)传输能耗高，且节点很难充电；

(4)节点成本高。

同时水声信号在水下还存在易受干扰的问题，以上特性给水下无线传感器网络中数据传输的可靠性带来了挑战。针对这个问题，有一些提高数据传输可靠性的传感器网络分层设计方法被采用，比如冗余、重传等。网络的分层设计可以降低网络整体设计的复杂度，现有的网络通常以“分层”方式进行，分层设计方法对于有线网络是成功的。然而，水声信道的接入冲突、用户干扰和信号衰落等情况远比有线网络严重得多，在这种情况下分层协议体系存在“非最优”和“不灵活”两个问题。“非最优”是由于分层设计导致了各层之间缺乏系统整体的信息共享，信息对每一层来说都是不充分的，无法保证整个网络达到最优化状态；“不灵活”是因为分层网络要求在最坏的情况下也能正常工作，使得网络协议只能基于最差的情况进行设计，缺乏适应环境变化的能力，影响协议栈对现有的资源进行优化配置。

对此，本申请提出一种基于跨层思想的数据可靠传输通信方法，该方法没有根据分层设计的思想对网络体系某一层进行可靠传输设计，而是通过跨层设计对整个网络性能实现提升。

发明内容

为解决上述背景技术存在的问题，针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于跨层思想的水下无线传感器网络数据可靠传输方法。节点根据所处深度划分簇，每个簇包含左右两个区域，汇聚节点对不同簇节点的通信时隙进行统一调度，使位于相邻簇的簇内节点进行区域错位通信，在接收数据时每个簇的网关节点只接受一个区域方向的信号，屏蔽掉相反区域的干扰信号，从而降低了通信冲突提高了传输可靠性，又能减少网络时延。节点在保证传输成功的情况下根据不同传输距离调整发射功率和发射频率，簇内数据传输使用基于CSMA的介质访问机制，结合网络编码技术，减少数据传输发生冲突时的重传数量，可以避免通信冲突，减少能耗。

本发明的技术方案如下：

一种水下无线传感器网络跨层可靠数据传输方法，包括以下步骤：

(1)水下传感器节点部署于水下三维环境中，汇聚节点部署在水面上，水下节点根据深度不同分簇，在一定深度范围内的节点分为一个簇；

(2)区域划分

分簇完成后，每个簇选举一个网关节点，将所有簇根据簇与水平面的距离划分成N个簇，每个簇沿网关节点所在垂直平面将整个簇分成两个区域(左区域S_L和右区域S_R)；

(3)传输时隙调度

汇聚节点对簇内所有节点进行通信时隙调度，节点只能在“活跃”时隙内传输和接收数据包，否则只能感知数据包或切换到休眠状态；

(4)簇内数据传输