一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法

摘要

一种多跳水声网络数据传输的协调机制方法，涉及水下通信。利用水声信道大时延的传输特性，建立节点间数据发送的协调机制，合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以及每个节点的发送功率大小，在节点i发送完数据块j后，将先接收来自节点i‑1的下一个数据块j‑1，再接收来自节点i+1的反馈信号，若收到确认信号ACK则节点i直接开始发送来自节点i‑1的下一个数据块j‑1，否则节点i重传原数据块j，由此可使得节点i的监听状态时间得到充分利用。能在保证水声数据多跳传输系统误码性能的前提下，有效降低系统传输的平均端到端时延；利用水声网络节点监听的空闲时间发送和接收水声数据；平均端到端时延，随信噪比的变化比较缓慢。

说明书

技术领域

本发明涉及水下通信，尤其是涉及基于水声网络多跳协调机制的一种多跳水声网络数据 传输的协调机制方法。

背景技术

由于水声信道固有的时-空-频变特性，同时存在窄带、高噪、强多途干扰、长传输时延、 大随机起伏等特征，被普遍认为是迄今为止最具挑战的无线信道之一。近年来，水声通信及 其网络技术因其在海洋信息应用领域的不断发展而取得了很大的进步。随着认识、开发和保 护海洋的深入，传统独立的点对点海洋探测、信息采集等已经开始向网络化转变，水下传感 器网络、水声预警网络、海底观测网络的需求愈来愈迫切，已成为未来水声通信发展的重要 方向。因此，研究高可靠、低功耗的水声网络具有重要的学术意义和应用前景。

目前，适应水声信道环境的高效节能的水声网络协议是制约水声通信网络发展的关键因 素之一，国内外对水声网络传输协议的研究主要包括减少能量损耗、降低时延、避免冲突等 几个方面。作为水声网络的基本单元，水声网络节点长期工作在水下，能量供应严重受限。 由水声信道固有属性(高噪、多途、长时延传输)引发的节点通信距离及节点能量受限等缺 陷，决定了节点间的可靠通信需要经过中间节点的中继传输来完成，这促进了多跳水声网络 的发展。与直接进行长距离通信相比，通过短距离多跳实现长距离通信的系统消耗更低的能 量(GregoryJ.PottieandWilliamJ.Kaiser.Embeddingtheinternet:wireless integratednetworksensors[J].CommunicationsoftheACM,2000,43(5):51–58.)， 且对水声环境来说，通过中继节点的协作可有效地提高水声通信系统的带宽利用率和通信误 码性能，也可提高水声通信系统容量，同时扩大覆盖范围，被认为是极具发展潜力的下一代 高速水声通信与网络的解决方案(W.Zhang,etal.AnalysisofaLinearMultihop UnderwaterAcousticNetwork[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2010,35(4): 961-970.)。但是，随着中继节点跳数的增加，其端到端时延也会随之增加，且能量受限使得 重发次数受到限制。因此，多跳水声网络研究中，不仅要考虑水声信道、能量供应的影响， 也要考虑由于中继节点的存在，信息传输过程中会受到网络中其它节点通信串扰的影响，这 使得水声网络的规模和性能都受到很大限制。

在当前的水声网络设计中，传统的端到端、逐跳寻径处理等方式，在复杂的水下环境中 是低效的。通常，在现场测试中，除了传输时延和传播时延以外，还存在其他三种类型的时 延，即调制解调器状态转换时延、调制解调器同步时延和调制解调器的数据转发时延。这三 种时延在水声网络的可靠数据传输中扮演着重要角色，例如由于水声网络调制解调器的半双 工工作模式，发送-接收状态之间的转换时延时间范围为数百毫秒到数秒。此外，半双工的工 作模式使节点存在发生收-发冲突和收-收冲突可能。因此，为解决上述问题，美国康涅狄格 大学提出了基于编码的实用多跳可靠数据转发(PracticalCoding-basedMulti-hop ReliableDataTransfer，简称为PCMRDT)方法，该方法通过结合随机线性编码和选择重传 提高可靠性和效率，并利用多跳协调机制来避免碰撞，减少平均端到端时延(Mo,Haining,et al.PracticalCoding-basedMulti-hopReliableDataTransferforUnderwaterAcoustic Networks.InProc.ofIEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM),Anaheim,CA, 3-7Dec.2012.)。

但是上述方法中各个节点在传输数据时，等待响应的时间是空闲的，这使得单位时间内 传输的数据量减少。

发明内容

本发明的目的在于提供可降低现有多跳水声网络数据传输平均端到端时延，依据水声信 道大时延的属性，通过协调节点间的数据发送机制，在节点监听状态下的空闲时段内发送下 一个数据块以减少系统整体的端到端时延，使得节点监听状态的时间得到充分利用，在保证 水声数据多跳传输系统误码性能的前提下，可有效降低系统传输平均端到端时延的一种多跳 水声网络数据传输的协调机制方法。

本发明包括以下步骤：

1)各个节点之间等间距布放，每个节点发送功率强度控制在只能让紧邻的两个节点足够 监听到、非紧邻节点无法监听到的大小；

2)每个节点均工作在半双工状态，即任意节点处于发送状态、或处于监听状态；且规定， 每个节点发送完一个数据块后，立即从发送状态转为监听状态；反馈信号为正确接收信号ACK 或者未正确接收信号NAK；

3)设定RTS/CTS等握手协议已经解决，且在传输中途不考虑RTS/CTS握手协议；

4)设任意三个节点分别为节点i-1、节点i及节点i+1，节点i-1和节点i上各自待发 送的数据块分别为j-1和j。数据块j-1和数据块j的传输方向分别为节点i-1向节点i，以 及节点i向节点i+1；

5)节点i-1和节点i均处于发送状态，节点i+1均处于监听状态；此时，节点i将其上 待发送的数据块j全部发送给节点i+1，随后节点i立即转为监听状态；

6)节点i-1发送其上待发送的数据块j-1，随后节点i-1立即转为监听状态；

7)节点i先接收来自节点i-1的下一个数据块j-1，再接收来自节点i+1关于是否收到 数据块i的反馈信号,然后将更新的反馈信号返回给节点i-1；

8)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以 及每个节点的发送功率大小，确保节点i在收到节点i+1的反馈信号之前，能够完全接收来 自节点i-1的数据库j-1，并不产生冲突；即，需要对数据长度的时间与距离的关系进行计 算，保证发送节点发送的数据落在接收节点的空闲区域；

9)若节点i+1正确接收数据块j，则发送正确接收信号ACK到节点i，否则发送未正确 接收信号NAK给节点i并请求重传数据块j，直到节点i+1正确接收数据块j或者达到最大 重传次数为止。

在步骤7)中，若节点i返回给节点i-1的反馈信号为NAK，则节点i-1重传数据块j-1 的时间视节点i收到节点i+1的反馈信号的情况而定，即根据节点i是否需要向节点i+1重 传数据块j的情况而定。

本发明依据水声信道大时延的固有传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间 的距离以及每个节点的发送功率大小等协调机制，提出利用传输空闲时间传输下一数据块、 进一步减小系统平均端到端时延的方法。

本发明具有以下突出优点：

1)可在保证水声数据多跳传输系统误码性能的前提下，有效降低系统传输的平均端到端 时延；

2)将水声信道大时延固有属性的劣势转为优势，充分利用了水声网络节点监听的空闲时 间发送和接收水声数据；

3)本发明所述方法的多跳水声传输系统的平均端到端时延，随信噪比的变化比较缓慢， 即在多变的海洋信道环境下，具有更强的适应能力。

附图说明

图1为多跳水声网络采用PCMRDT多跳协调机制方法的端到端时延图解(以2跳为例)。

图2为多跳水声网络采用本发明所述多跳协调机制方法的端到端时延图解(以2跳为例)。

图3为本发明所述多跳协调机制方法前提条件中传播时延与数据块长度的关系图解。

图4为多跳水声网络采用本发明所述方法时单次全部成功的传输示意图(以4节点3跳 为例，假定每1跳最多允许1次重传)。

图5为多跳水声网络采用本发明方法时任意1个节点发生1次重传的传输示意图(以4 节点3跳为例)。

图6为多跳水声网络采用本发明方法时任意2个节点各发生1次重传的传输示意图(以 4节点3跳为例)。

图7为多跳水声网络采用本发明方法时全部节点各发生1次重传的传输示意图(以4节 点3跳为例)。

图8为多跳水声网络采用PCMRDT方法时单次全部成功的传输示意图(以4节点3跳为例， 假定每1跳最多允许1次重传)。

图9为多跳水声网络采用PCMRDT方法时任意1个节点发生1次重传的传输示意图(以4 节点3跳为例)。

图10为多跳水声网络采用PCMRDT方法时任意2个节点各发生1次重传的传输示意图(以 4节点3跳为例)。

图11为多跳水声网络采用PCMRDT方法时全部节点各发生1次重传的传输示意图(以4 节点3跳为例)。

图12为不同发射声源级下系统整体中断概率。

图13为不同发射声源级下系统整体平均端到端时延的对比。

图14为不同发射声源级对重传节点数目的影响。

图15为不同数据块长度下系统整平均体端到端时延。

图16为不同发射声源级下跳数对系统整体平均端到端时延的影响。

图17为不同发射声源级下跳数与系统整体平均端到端时延变化关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。

现有多跳水声网络的协调机制PCMRDT方法的工作流程如图1所示。节点i在发送完数据 块j之后转为监听状态，直到收到节点i+1的反馈信息之后，才让节点i-1发送下一个数据 块j-1。由图1可见，节点i在监听状态存在较长的空闲段，当多跳的跳数更多时，累积的 这段空闲时间对于系统整体端到端时延有极大的影响。如图2所示，若将这段监听状态充分 利用，那么系统整体性能将得到进一步的优化。

为此，本发明提出一种结合水声信道大时延的固有属性，充分利用水声网络节点监听的 空闲时间发送和接收水声数据的多跳协调机制方法。

如图2、图3所示，所述多跳水声网络数据传输的协调机制方法，包括以下步骤：

1)各个节点之间等间距布放，每个节点发送功率强度，控制在只能让紧邻的两个节点足 够监听到、非紧邻节点无法监听到的大小；

2)每个节点均工作在半双工状态，即任意节点处于发送状态、或处于监听状态；且规定， 每个节点发送完一个数据块后，立即从发送状态转为监听状态；反馈信号为正确接收信号ACK 或者未正确接收信号NAK；

3)RTS/CTS等握手协议已经解决，且在传输中途不考虑RTS/CTS握手协议；

4)如图2所示，设任意三个节点分别为节点i-1、节点i及节点i+1，节点i-1和节点 i上各自待发送的数据块分别为j-1和j。数据块j-1和数据块j的传输方向分别为节点i-1 向节点i，以及节点i向节点i+1。

5)节点i-1和节点i均处于发送状态，节点i+1均处于监听状态；此时，节点i将其上 待发送的数据块j全部发送给节点i+1，随后节点i立即转为监听状态；

6)节点i-1发送其上待发送的数据块j-1，随后节点i-1立即转为监听状态；

7)节点i先接收来自节点i-1的下一个数据块j-1，再接收来自节点i+1关于是否收到 数据块i的反馈信号,然后-将更新的反馈信号返回给节点i-1，再接收来自节点i+1关于是 否收到数据块i的反馈信号；

8)利用水声信道大时延的传输特性，通过合理设置数据块长度、控制节点之间的距离以 及每个节点的发送功率大小，确保节点i在收到节点i+1的反馈信号之前，能够完全接收来 自节点i-1的数据库j-1，并不产生冲突；即，需要对数据长度的时间与距离的关系进行计 算，保证发送节点发送的数据落在接收节点的空闲区域，该过程如图3所示，即满足：

T_st+T_c+T_bl+T_st≥T_bl+T_c+T_bl，化简可得：T_bl≤2T_st(1)

式中，T_st＝l/c表示传播时延，l为节点间的距离，c为水声速度；T_bl表示传输时延，也 就是待发送数据符号块的总持续时间；T_c表示状态转换时延。

9)若节点i+1正确接收数据块j，则发送正确接收信号ACK到节点i，否则发送未正确 接收信号NAK给节点i并请求重传数据块j，直到节点i+1正确接收数据块j或者达到最大 重传次数为止。

在步骤7)中，若节点i返回给节点i-1的反馈信号为NAK，则节点i-1重传数据j-1的 时间视节点i收到节点i+1的反馈信号的情况而定，即根据节点i是否需要向节点i+1重传 数据块j的情况而定。

针对本发明所述方法，为简易起见，下面以4个节点3跳的多跳水声网络为例进一步说 明，若假设每1跳最多允许1次重传，则一共有8种情况，重传次数以0、1表示，三跳水声 网络传输情况如表1所示。

表1

第一跳 0 0 0 1 1 1 0 1 第二跳 0 0 1 0 0 1 1 1 第三跳 0 1 0 0 1 0 1 1

由此，可得出如图4～7所示的各类可能传输情况，下面分别计算各自的端到端时延：

1)单次全部传输成功：图4表示每一个节点的数据块都一次传输成功，根据示意图可以 得到其端到端总时延T_case#1为：

T_case#1＝T_st+T_bl+T_c+T_st+T_c+T_st+T_c+T_st＝T_bl+4T_st+3T_c(2)

2)任意1个节点发生1次重传：在图5中，数据传输过程中只在其中1个节点发生1次 重传，对此可得到：

T_case#2＝T_st+T_bl+T_c+T_st+T_c+T_st+T_bl+T_c+T_st+T_c+T_st+T_c+T_st＝2T_bl+6T_st+5T_c(3)

3)任意2个节点各发生1次重传：在图6中，数据块在任意2个节点各发生1次重传， 同样可得：

T_case#3＝2T_bl+6T_st+5T_c(4)

4)所有节点各发生1次重传：如图7所示，同理可得：

T_case#4＝2T_bl+6T_st+5T_c(5)

由上述分析可见，只要发生重传，T_case#i(i＝1,2，…)都会是一样的，即T_case#i＝2T_bl+6T_st+5T_c； 仅在一次全部传输成功时，T_case#i最小，为T_bl+4T_st+3T_c。为了分析方便，将上述系统的端到端 时延分为两类，第一类为一次传输成功的端到端时延T₁，第二类为发生重传时的端到端时延 T₂；在上述例子中，T₁＝T_bl+4T_st+3T_c，T₂＝2T_bl+6T_st+5T_c。

对于每种传输状况发生的概率与信噪比有关，即对于上述8种情况而言，系统整体的平 均端到端时延T_e2e可表示为：

$T_{e2e}=\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}{P}_i{T}_{case\#i}---\left(6\right)$

关于本实施例，这里需要说明两点：

1)关于ACK信号设计。所设计的ACK信号携带三位校验位，分别对应节点i-1、节点i、 节点i+1的反馈信息。初始状态下，当节点数据传输成功时，对应校验位信息改变为1，若 传输失败，则对应校验位信息为0，接收节点通过对相应校验位进行校验，确定是否重传。 只有节点i-2接收到的ACK信号三位信息全为1时，才能确定全部传输成功。

例如：

2)本实施例分析暂不考虑ACK信号长度。因现有PCMRDT方法同样需要考虑ACK信号长 度，故从对比端到端时延角度考虑，可相互抵消其对系统整体的端到端时延影响。

表2

更进一步，将上述例子中的3跳水声网络进行扩展，则采用本发明所述的方法，系统整 体的不同跳数下本发明所述方法的端到端时延如表2所示。因此，有如下结论：

一般地，若假设2跳水声网络的1次传输即可成功时的端到端时延为T₁，发送重传时的 端到端时延为T₂，且1次传输即可成功的概率为P₁，需要重传的概率为P₂(满足P₁+P₂＝1)， 那么，对于N跳水声网络，其系统整体平均端到端时延T_e2e为：

T_e2e(N)＝{T₁+(N-2)(T_st+T_c)}P₁+{T₂+(N-2)(T_st+T_c)}P₂＝(T₁P₁+T₂P₂)+(N-2)(T_st+T_c)(8)

为了便于对比性能，对于现有的PCMRDT方法，同样考虑4个节点3跳的多跳水声网络， 且假设每1跳最多允许1次重传，得出如图8～11所示的各类传输方案，下面分别计算各自 的端到端时延：

1)单次全部传输成功：如图8所示，得：

T_case#1＝3(T_st+T_bl+T_c+T_st)+2(T_c+T_st+T_c)＝3T_bl+8T_st+7T_c(9)

2)任意1个节点1次重传：与图8相比，图9中增加了一个数据块的重传时间以及一次 状态转换的时间，即：

T_case#2＝3T_bl+8T_st+7T_c+(T_st+T_bl+T_c+T_st+T_c)＝4T_bl+10T_st+9T_c(10)

3)类似地，如图10和12所示，可以得到有任意2个节点各发生1次重传和全部节点各 发生1次重传时的端到端时延，分别为：

T_case#3＝5T_bl+12T_st+11T_c(11)

T_case#4＝6T_bl+14T_st+13T_c(12)

同样，若假设水声多跳网络的跳数为N，发生重传的节点个数为j(j＝1,2,…,N))，则传 输时间不同的状况有(N+1)种，每种状况发生的概率为由上述分析可得，系统 整体的平均端到端时延T_e2e为：

$T_{e2e}=\underset{j=0}{\overset{N}{\Sigma }}(C_N^j/2^N)T_j---\left(13\right)$

表3不同跳数的PCMRDT方法的端到端时延

同样，一般情况下，对于N跳水声网络的端到端时延可总结出不同跳数的PCMRDT方法的 端到端时延如表3所示，由表3中数据可见，对于跳数为N的多跳水声网络，当发生重传的 节点个数j每增加1时，端到端时延增加(T_bl+2T_st+2T_c)；当发生重传的节点个数相同时，在 不同跳数的网络中所对应的端到端时延不同，跳数每增加1跳，端到端时延增加(T_bl+3T_st+3T_c)； 因此，若假设2跳水声网络一次全部传输成功的端到端时延为T₁，发生重传的节点个数为j (j＝1,2,…,N)，则该系统整体的平均端到端时延计算公式为：

T_e2e(N,j)＝T₁+j(T_bl+2T_st+2T_c)+(N-2)(T_bl+3T_st+3T_c)(14)

对比式(8)和式(14)，可以显著看出，本发明所述方法对水声数据多跳传输系统的整 体端到端时延有所优化。

下面对于本发明所述方法的可行性、可靠性进行计算机仿真验证。

假设多跳水声网络各节点间的传输距离l＝2km，水声速度c＝1500m/s，则任意2个节 点间的传播时延T_st＝l/c≈1333ms，若采用正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivision Multiplexing，简称为OFDM)多载波调制方式，根据水声网络调制解调器的参数设置，每个 OFDM数据符号块(block)的持续时间为95ms(陈友淦.水声网络信道编码与协作关键技术 研究[D].厦门:厦门大学博士论文,2012年)，则任意2个节点间的传播时延T_st约为 1333/95＝14个block，再根据前提条件公式(1)可将节点每次待发送数据符号块总持续时间 或称之为总长度T_bl设为28个block，水声信道采用准静止衰落信道(陈友淦,等.浅海水声 信道模型差异对纠错码性能分析的影响[J].兵工学报,2013,34(11):1404-1411.)。仿真 实验在MATLAB平台上实现，仿真次数设为5000次。

对于接收端的信噪比SNR，采用被动声呐方程表示(M.Stojanovic.Ontherelationship betweencapacityanddistanceinanunderwateracousticcommunicationchannel[J]. ACMSIGMOBILEMobileComputingandCommunicationsReview,2007,11(4):34-43.)， 即：

SNR＝SL-TL-NL+DI(15) 式中，SL为系统的发射声源级；TL为传播损失；NL为水下噪声级；DI则为接收指向性指数， 仿真中假设采用无指向性换能器，即DI＝0。

为方便描述，仿真中，对端到端时延的描述全部以OFDM数据符号块(block)的数目来 表示，可通过传播时延除以每个block持续时间取整计算得到对应的block数目，并根据上 述端到端时延计算公式对T_e2e进行计算。

以下是对于本发明所述方法仿真结果的分析：

1)不同发射声源级对系统整体性能及平均端到端时延的影响：分别以PCM和PCM-S表示 PCMRDT方法和本发明所述方法，在不同发射声源级下对两种传输方法的系统整体中断概率(陈 友淦.水声网络信道编码与协作关键技术研究[D].厦门:厦门大学博士论文,2012年)和 平均端到端时延进行仿真对比，结果如图12和13所示。从图12中可见，两种传输方法在系 统整体中断概率性能方面基本相同，但图13可明显看到本发明所述方法的系统整体平均端到 端时延与PCMRDT方法相比有很大的减少，这与前述理论分析得到的结果是一致的。对图13 分析可以得到，随着发射声源级的增大，两种传输方法的平均端到端时延都在减小，但本发 明所述方法的平均端到端时延改变更加平缓。当发射声源级发生改变时，中断概率改变，两 种方法传输过程中发生重传的节点数也发生改变，但对本发明所述方法的影响比PCMRDT方法 小。

2)不同发射声源级对重传节点数的影响：由图14可知，随着发射声源级增加，发生重 传的节点数目减少，在83dB时一次传输成功的概率基本达到了0.9。图14更加清楚地说明 了图13中本发明所述方法的平均端到端时延变化情况。因为只要发生重传其时延则是相同 的，所以对平均端到端时延起主要影响作用的是一次重传成功发生的概率大小。因此，随着 发射声源级的增加，本发明所述方法的平均端到端时延减小。

3)不同数据符合块总长度对平均端到端时延的影响：由前提条件公式(1)可知，在仿 真实验中可取的数据符合块总长度最大为28个block，为验证数据符合块总长度设计对平均 端到端时延的影响，分别取blocksize＝15、20、25、28进行仿真对比实验，结果如图15所 示。由图15可见，平均端到端时延随发射声源级的增大而减小。发射声源级相同时，随数据 符合块总长度的增加，平均端到端时延增大；在低发射声源级条件下，数据符合块总长度对 平均端到端时延的影响较大。

4)不同发射声源级条件下跳数对平均端到端时延的影响：在图16中，平均端到端时延 随发射声源级的增大而减小，在固定发射声源级下，随跳数增大，平均端到端时延增大，且 由图17可以看出本发明所述方法的平均端到端时延与跳数基本呈线性关系。图16中，在 80.5～81dB间只有跳数为2时有数据，这是因为在此条件下只有跳数为2时存在数据传 输成功的情况，在其它跳数情况下，由于发射声源级较低，传输全部发生中断，故没有对应 数据，造成图16在该区域存在空白区。