[发明专利]一种基于生态位与费洛蒙机制的海洋传感器网络通信协调方法

说明书

本发明公开一种基于生态位与费洛蒙机制的海洋传感器网络通信协调方法，该发明在TDMA策略的基础上，基于生态位和虚拟费洛蒙机制，协调各节点对通信时间片的占用，并提出一种分布式路由策略协调信息包在节点间的转发，以实现信息在网络中的高效传递。本发明主要包括：基于TDMA策略的海洋无线传感器网络通信架构，基于生态位和虚拟费洛蒙机制的节点通信时间片抢占算法，节点对时间片占用的冲突消解策略，基于通信等待时间期望的通信包转发策略。本发明可以协调随机部署的海洋无线传感器网络节点间使用水声通信进行高效的信息传输，降低通信冲突概率和提高消息传输速度。

技术领域

本发明涉及水下传感器领域，尤其涉及一种用于协调海洋无线传感器网络中节点间高效通信方法。

背景技术

海洋传感器网络是由大量悬浮在水中特定深度的探测节点组成的探测感知网络。这种传感器网络可以覆盖一整片海域，采集其中的数据，如海洋流速、温度、盐度等海洋学数据，海洋微生物浓度、鱼类分布等海洋生物学数据，以及海底震动等地球物理学数据，因此在科学数据采集、灾害预警、海洋环境监测等民用领域和港口、锚泊地警戒，反潜、反蛙人作战等军事领域有重要作用和广阔的应用前景。

海洋传感器网络由大量探测节点组成，信息回传依赖于节点间的通信。常见的通信方式有两种，分别是有线通信方式和无线通信方式。有线通信方式是节点间使用海底光纤、海底电缆等连接，通过光、点信号回传数据。这类传感器网络通信速度快，传输信息量大，但是布设海底光纤、电缆的成本高，随着网络规模的增长和覆盖区域的扩大，其成本呈非线性增长，限制了这种网络的应用。无线通信方式是节点间使用无线通信手段进行信息交互。由于通信常用的电磁波段在水中衰减快，因此水下常用的无线通信方式主要有水声通信和蓝绿激光通信。蓝绿激光通信速度快，可以达到Gbit的量级，但是一方面通信距离有限，只能达到百米的量级，另外一方面激光通信需要保持对准，而海洋环境中受海流的扰动，无法保证传感器节点处于静止的状态，因此这种通信方式也不适用于海洋传感器网络。因此海洋无线传感器网络的主要通信方式是水声通信。

用于水下无线传感器网络时，水声通信存在的两个最大问题是速度慢和存在相互干扰。即使使用高频水声通信，其速度也只能达到kbps的量级，因此每次通信时包含的信息量有限。当相互处于通信范围内的多个节点同时发声，或者某个节点的多个邻居同时发生时，接收端都无法解析出有效的信息，也就是在接受范围内，同一时刻，最多只能有一个发射端在发出消息。上述问题导致无线电通信领域常用的一些策略无法直接用于水下无线传感器网络。

例如TDMA策略是无线电通信领域常用的一种mac层协议，其思路是将整个通信过程分为一系列周期，每个周期为一个通信帧。进一步，将每个通信帧分解为一系列时间片，通过一些策略，决定哪些节点在哪些时间片内广播消息，从而实现通信的协调。基于TDMA架构，有很多针对无线电通信的协调策略，典型的思路有基于冲突试错的策略和基于主动协调的策略。

基于冲突试错的策略，最典型的方法slotted aloha协议，即节点依概率在某个时间片广播消息，如果发生了通信冲突，则以一定的概率在下一个时间片继续广播消息，直到成功完成广播。这种策略用于无线电通信时，由于无线电通信速度快，所以时间片很短，仅为几十毫秒，所以可以容忍多次发生冲突。而此策略直接用于水下无线传感器网络时，由于水声通信速度慢，每个时间片的长度为若干秒，频繁的通信冲突会将信息传输速度降低到无法接受的程度，因此这种方法不适用于水下环境中。

基于主动协调的策略，其思路是在通信包中包含用于协调通信路由的信息，如各节点的占据的时间片，各节点的一二阶邻居及其占据的时间片等。由于无线电通信的速度快，信息量大，可以在通信包中包含这些信息。但是对于水声通信而言，受通信量的限制，难以包含这些信息，因此这类方法也不适用。

发明内容

为协调现有技术海洋传感器网络中节点间的水声通信，本发明提出了一种基于生态位和费洛蒙机制的海洋传感器通信协调方法，部署在每个传感器节点上，使各节点可以决定在哪些时间片中广播消息，从而提高对时间片的占用率，降低通信冲突的概率，并加快信息回报到基站的速度。