[发明专利]一种低功耗海洋传感数据回传方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种低功耗海洋传感数据回传方法，包括针对静态环境的LoRa多跳网络拓扑的部署，路由算法，数据包冲突检测和故障恢复。本发明所述的海洋传感数据回传方法可以解决现有技术中海洋数据传输速度慢、功耗高、覆盖近的问题，有效降低单点故障、数据冲突带来的性能损失，从而提高海洋传感信息的时效性和利用率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体地，涉及一种低功耗海洋传感数据回传方法。

背景技术

海洋传感数据对于海洋环境保护，海洋动物探索，海上搜救等都有着极其重要的意义。数据的采集和回传通常需要由传感器和收发装置组成。随着新型材料和防水技术的不断提升，感知技术已经不再是制约其发展的瓶颈。

然而，目前可以应用在海上的数据传输技术都存在明显的弊端。基于声学的技术被广泛用于水下的传输，但是由于其速度的限制不会被用在空气中的传输。基于802.11协议的Wi-Fi和802.15.4的ZigBee在许多场景中广泛使用，但是其单点覆盖不超过百米，很难用于海面的应用，而且其能耗较高，维护成本高。基于4G/5G网络的方法成本更高，对于运营商来说在海面上部署大量基站是不现实的，电池寿命问题是制约其室外使用的最大问题。基于卫星的办法除军事等一般的应用很难获取权限或负担不起高额的费用。本发明采用的低功耗广域网具有超低功耗和单点远距离覆盖的特点，但在目前的标准和应用中，其采用的是星型拓扑，即终端传感节点直接向网关发送数据，这样的方案可以将覆盖范围扩大到以网关为中心，单点传输距离为半径的圆上，仍然无法满足海洋上的通信覆盖。有一些研究也建立了线性或树形的拓扑实现中继，不过其存在着单点故障，数据冲突等问题，在布局上也缺乏灵活性。因此这些方案都不完全适合海洋上的传感数据回传。

(Abrardo 2019)在意大利的一个山洞里建立了一种线性的LoRa多跳网络，目的是将山洞内的关键传感数据发送到洞外。根据对环境的测量，约每200米设置一个节点，并仅与前后邻居通信，因此实现了一个几公里的接力式传输。然而一旦有一个节点损坏或电量耗尽，就必须人工干预。

(Barrachina 2017)定义了三种数据上行模式并提出了称作“最佳架构”的多跳传输方法，即在传输中总是选择能耗最低的可达点。然而，这仅仅是将线性的解决方案堆积起来，没有协作和交互。仍然不能解决故障问题。

(LoRa Alliance 2015，SEMTECH 2015)定义了基于纯ALOHA的冲突解决方案，其允许冲突的发生，并回退一定的时间重传。

(Rachkidy 2018,2019)设计了复杂的MAC层协议，在冲突已经发生的情况下对已经叠加的数据进行解析。这种方案不需要考虑传输时的问题，但是解析运算为节点带来了较大的工作量，不适合本发明中所涉及的海洋数据回传。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于LoRa多跳网络的海洋传感数据回传方法，以实现低功耗的海面数据超远距离传输，解决目前海洋上关键传感数据传输距离短，延迟高等问题，可广泛用于如图1所示海洋环境保护，海洋动物探索，海上搜救等。本发明采用的网络拓扑结构可以解决目前方案中覆盖范围小的问题，并有效解决网络传输中的冲突、故障等问题，从而提升网络的吞吐率、接收率等关键性能。

本发明的技术方案：

一种低功耗海洋传感数据回传方法，步骤如下：

首先，针对可控的静态环境，即任意选择节点位置，且节点位置一旦部署后保持不动；使用具备收发功能的LoRa节点，工作频率支持433MHz、868MHz等非认证频段，节点支持外接全向或定向天线；

在海岸的陆地上等距离放置LoRaWAN网关，方便检修和更换，同时保证供电的稳定；假设所有在陆地上的网关均在一条直线上，并定义该直线所在方向为水平方向(坐标系的横轴)；垂直于水平方向的为竖直方向(坐标系的纵轴)，且由海面指向海岸的数据回传方向为上行方向(纵坐标值减少的方向)；