[发明专利]一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种水下传感器网络可靠传输机制。

背景技术

水下传感器网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks）在环境监测、资源勘探、灾害预防等方面具有广泛的应用前景，已逐步成为世界各国政府、国防、工业及学术界的关注及研究热点。UWSN采用声波通信，水声信道误码率高，通常在10^-3-10^-7范围之间；水声通信传播延时长，其延时接近秒级；带宽较窄，通常在几十kbps的量级；与传统Modem相比，声学Modem能耗更大，而水下节点通常采用电池供电，电池的充电与替换困难；水下节点部署稀疏，节点随水流或其他水下活动的移动而移动，能量耗尽或硬件故障容易导致节点失效，因此水下传感器网络拓扑动态变化。以上特性导致陆上通信协议在UWSN下不适用或具有极低的工作效率，传统的可靠传输机制在UWSN中的应用局限主要体现在以下方面：

1）水声信道的高误码率导致逐跳传输时较大的包错误率，使得端到端的包成功传输概率接近零。因此，传统的、端到端的可靠传输机制在UWSN网络将会导致过多的重传，从而带来过多的能耗，加剧低带宽的水声网络负载和包冲突，降低信道利用率。

2）水声信号的低传播速度导致较大的端到端延迟，这给传统的端到端可靠传输机制的实时控制带来较大的问题。

3）水下传感器网络长延时、低比特率特点导致传统的简单停等ARQ机制在UWSN的信道利用率极低；水声Modem采用半双工通信，限制了高效的传统流水线ARQ协议的使用。水声信道的高误码率容易导致传统确认机制中ACK的丢失，不仅浪费了传输ACK的带宽资源，而且那些成功接收的数据包也会被发送节点重传，带来更大的能耗。

4）传统的前向纠错重传技术（FEC）采用固定码率的纠删码，在传输之前需要预先确定冗余包的数量。FEC由 个原始数据包编码后产生个编码包，, 表示冗余包数量。为了重构个原始数据包，接收节点需要接收一定数量（大于）的编码包。是一个常数，定义为扩展因子，的值取决于信道的删除概率。由于水声信道的时变性，很难预先确定这个信道删除概率常数，过高的估计将增加能耗及带宽开销，低估的删除概率将导致解码失败。

REED and G. Solomon提出了基于纠删码的Reed-Solomon 编码，对于较小的和效果理想。然而，其编译码过程要求域运算，计算开销较大，不适用于计算资源受限的水下传感器网络节点。Tornado codes编码仅涉及异或运算，编译码过程比 Reed-Solomon 码快得多，但Tornado codes采用多级二部图编解码，带来较大的计算和通信开销，同样不适用于低比特率、高能耗的UWSN网络。SDRT采用SVT编码提高编译码效率，但发送节点以非常缓慢的速率发送窗口外的数据包，降低了信道利用率。莫海宁等人提出了基于GF（256）随机线性编码的多跳协调协议来保证水下传感器网络的可靠性。然而实际上并不能通过随机产生的个编码向量成功恢复个原始包，且其译码复杂度比其他稀疏编码大。此外，多跳协调机制需要时间的精确同步，且仅局限于只有一对节点通信的简单线形网络拓扑。

数字喷泉码是基于二部图的高性能稀疏无码率编码，传输的冗余量不是固定常数，且能够随着错误恢复算法的执行而动态确定，因此对于任何删除信道的性能都是接近最优的，是一种轻量级的编解码实现。Luby提出的LT编码能够从接收的多于原始包数量的编码包中以高概率恢复重构原始数据包。然而，LT码是针对具有大量的数据包的逐块传输设计的，不适用于由于节点移动造成节点之间传输时间十分有限的水下传感器网络，且LT码的度分布中存在较多的大度节点，增加了编译码开销和通信开销。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，基于码率无关的数字喷泉码技术，采用优化设计的度分布和递归编码思想，提出RLT（recursive LT）编码方案。基于RLT编码，并融合传统ARQ实现UWSN的逐块、逐跳地可靠传输。本发明的可靠传输控制方法适用于水下复杂动态的网络环境，基于递归LT编码的可靠传输控制在实现UWSN传输可靠性的同时，减小了包冲突和端到端的延时，提高了网络吞吐量和信道利用率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法，其特征在于：包括下列几个组成部分：