專利名稱：水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種UWSN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系模型架構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN Wireless Sensor Networks)將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，擴(kuò)展了人們的信息獲取和管控能力，在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能控制、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為信息科學(xué)的重要研究領(lǐng)域；將傳器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水環(huán)境中的新型網(wǎng)絡(luò)形式-水下傳感網(wǎng)絡(luò)(UWSN UnderwaterWireless Sensor Networks)的研究與應(yīng)用也逐漸受到各國(guó)部門、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、科研機(jī)構(gòu)等極大關(guān)注，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)直接細(xì)粒度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為有效解決水下生態(tài)監(jiān)測(cè)提供重要保障基礎(chǔ)。目前存在多種無線通訊協(xié)議，不同生產(chǎn)廠家在硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)等方面沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧在物理層與數(shù)據(jù)鏈路層基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802. 15. 4是為省電而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，要求短時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸操作，不能傳輸大量數(shù)據(jù)。IEEE802. 11無線通訊能夠傳送很大數(shù)據(jù)量，但是耗電量很多，不適用于長(zhǎng)延時(shí)、低帶寬、高錯(cuò)誤率、有限能量、稀疏拓?fù)涞腢WSN網(wǎng)絡(luò)要求，水聲信道的獨(dú)有特性使UWSN協(xié)議設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)。目前UWSN研究正處于起步階段，且多集中在路由和MAC層，針對(duì)UWSN的協(xié)議體系架構(gòu)較少有人問津。迄今為止的UWSN研究大多基于傳統(tǒng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的五層協(xié)議模型，基于該五層模型的研究表明，在水下信道復(fù)雜多變、節(jié)點(diǎn)資源有限的UWSN環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)高效性只有通過跨層設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。為了克服分層設(shè)計(jì)帶來信息不能共享的短板，根據(jù)具體應(yīng)用將從物理層、MAC層、再到路由、傳輸和應(yīng)用層，從傳輸功率控制、信道編碼、路由實(shí)現(xiàn)到可靠傳輸?shù)炔捎每鐚觾?yōu)化設(shè)計(jì)，將某一層的性能變化、運(yùn)行狀況、字段信息等向隸屬其它層的協(xié)議匯報(bào)并使它層協(xié)議的決策做出合適調(diào)整，從而充分利用UWSN的有限資源，但過多跨層設(shè)計(jì)帶來無法克服的復(fù)雜問題。UWSN傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)、能量等資源十分有限，其上運(yùn)行的協(xié)議棧不能太復(fù)雜，UffSN網(wǎng)絡(luò)亟需研究新型通信協(xié)議棧。

發(fā)明內(nèi)容
W^Tift^^0JiIiij Micro-ANP (Micro-application/network transmission/physical)協(xié)議架構(gòu)模型，將UWSN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和物理層，此外還包括一個(gè)綜合管理平臺(tái)，進(jìn)行能量、位置等信息管理與節(jié)點(diǎn)控制；通過分析UWSN水聲信道特性以及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了 Micro-ANP網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議設(shè)計(jì)使用PCDMA多址訪問技術(shù)減少端到端的傳播延時(shí)，使用基于應(yīng)用優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)剩余能量和級(jí)差信息實(shí)現(xiàn)差分Geo-routing路由，降低端到端的能量消耗和延時(shí)，使用適應(yīng)性傳輸實(shí)現(xiàn)逐跳傳輸與端到端傳輸?shù)目煽勘Ｕ希会槍?duì)UWSN網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心和有向通信等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了只包含10個(gè)字段且只有10字節(jié)(變長(zhǎng)數(shù)據(jù)字段除外)的分組格式；基于水聲傳輸?shù)膖oick路徑損耗、CDMA
多址接入和(Jl k，t)前向糾錯(cuò)碼技術(shù)，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每數(shù)據(jù)bit能耗、最小化包的能量延時(shí)積為目標(biāo)，采用MATLAB優(yōu)化工具對(duì)UWSN包負(fù)載長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)方法，其特征在于，包括下列幾個(gè)組成部分
(I)迄今為止的UWSN研究基于傳統(tǒng)五層協(xié)議模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層?；趥鹘y(tǒng)五層模型的研究表明，在水下信道復(fù)雜多變以及節(jié)點(diǎn)能源有限的UWSN環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)的高效性只有通過跨層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。但過多跨層設(shè)計(jì)帶來無法克服的復(fù)雜問題。通過分析UWSN技術(shù)挑戰(zhàn)、通信特點(diǎn)及傳統(tǒng)協(xié)議棧的應(yīng)用局限性，將傳統(tǒng)五層模型的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層功能合并為一層，提出包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和物理層的 Micro-ANP協(xié)議分層模型。(2)Micro-ANP將傳統(tǒng)TCP/IP、ZigBee等協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)和傳輸層合并為網(wǎng)絡(luò)傳輸層，將以上層次協(xié)議的主要功能集成在網(wǎng)絡(luò)傳輸層實(shí)現(xiàn)，其中包括(a)用于降低高延遲、低帶寬和高錯(cuò)誤率信道數(shù)據(jù)沖突的可靠多址接入MAC協(xié)議-PCDMA(概率性CDMA); (b)基于優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)級(jí)差、位差、能量等優(yōu)化調(diào)度的差分Geo-routing路由協(xié)議，滿足多種應(yīng)用的不同服務(wù)要求，在延時(shí)、傳輸成功率和能耗之間進(jìn)行折中；(c)使用適應(yīng)性傳輸實(shí)現(xiàn)逐跳傳輸與端到端傳輸?shù)目煽勘Ｕ稀Ｆ渲兄鹛鴤鬏敾贔EC編碼實(shí)現(xiàn)，端到端可靠傳輸實(shí)現(xiàn)則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，在基于多路徑的網(wǎng)絡(luò)編碼和基于應(yīng)用的IDA算法之間動(dòng)態(tài)調(diào)整。(3)針對(duì)UWSN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了 Micro-ANP的網(wǎng)絡(luò)傳輸層分組格式，包含流向、 發(fā)送節(jié)點(diǎn)級(jí)別、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、(源/目的)地址分類、(源/目的)節(jié)點(diǎn)地址、分組ID、協(xié)議編號(hào)、負(fù)載長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼共10個(gè)字段，共10個(gè)字節(jié)(變長(zhǎng)數(shù)據(jù)字段除外)。(4)考慮到UWSN網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無競(jìng)爭(zhēng)的PCDMA的MAC協(xié)議，包傳輸過程不存在沖突現(xiàn)象，基于水聲傳輸?shù)膖oick路徑損耗公式、無競(jìng)爭(zhēng)CDMA多址接入模型和前向糾錯(cuò)碼技術(shù)，通過設(shè)定極大化包吞吐量、極小化每數(shù)據(jù)bit能耗、極小化資源消耗三個(gè)目標(biāo)函數(shù)， 借助MATLAB優(yōu)化工具求解得到包最佳負(fù)載長(zhǎng)度。所述部分(1) Micro-ANP協(xié)議分層模型中各層協(xié)議與平臺(tái)功能如下
(II)應(yīng)用層協(xié)議包括圖像、音視頻、數(shù)據(jù)采集處理軟件，并對(duì)非緊急屬性數(shù)據(jù)執(zhí)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)融合(ALDA)；
(12)網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)、多址訪問、可靠傳輸?shù)认盗袉栴}；
(13)物理層提供簡(jiǎn)單健壯的信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和無線收發(fā)技術(shù)。(14)綜合管理平臺(tái)包括能量、位置等綜合管理，能量管理檢測(cè)并維護(hù)節(jié)點(diǎn)自身與鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息，作為路由轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)整發(fā)送功率決策參數(shù)之一，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)；位置管理管理節(jié)點(diǎn)位置信息，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供地理位置，并為實(shí)現(xiàn)地理路由提供參數(shù)依據(jù)，此外綜合管理還能基于SINK節(jié)點(diǎn)的控制信令對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)施一定程度的管控。所述部分(3) Micro-ANP的網(wǎng)絡(luò)傳輸層分組格式設(shè)計(jì)如下
(31) UWSN是以數(shù)據(jù)為中心的任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融合是UWSN網(wǎng)絡(luò)的基本特色。由于數(shù)據(jù)融合，分組數(shù)據(jù)可來自多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，端到端連接在UWSN網(wǎng)絡(luò)失去原有作用，源和目的端口號(hào)字段也失去存在的必要。UWSN網(wǎng)絡(luò)采用有向通信，上行分組以SINK節(jié)點(diǎn)為目的， 下行分組源自SINK節(jié)點(diǎn)，通常不存在傳感器與傳感器節(jié)點(diǎn)間的直接通信，因此在網(wǎng)絡(luò)傳輸層格式中第一個(gè)bit為流向字段。(32)網(wǎng)絡(luò)傳輸層格式的第二個(gè)字段為節(jié)點(diǎn)的級(jí)別字段，占8 bits。第三個(gè)字段為節(jié)點(diǎn)ID，占16bits。級(jí)別和ID字段對(duì)應(yīng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)(上一跳節(jié)點(diǎn))的信息，這兩個(gè)字段逐跳更新。(33) UWSN應(yīng)用更關(guān)心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置所在，有時(shí)并不關(guān)心這些數(shù)據(jù)源自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，節(jié)點(diǎn)定位信息在UWSN網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，節(jié)點(diǎn)地址有位置和ID兩種標(biāo)識(shí)方式。第四個(gè)字段為地址分類，占lbit，用來指明源或目的節(jié)點(diǎn)地址采用位置標(biāo)識(shí)還是節(jié)點(diǎn)ID ；其后的地址字段用來指明上行分組的源節(jié)點(diǎn)地址(位置或ID)或下行分組的目的地址(位置或ID),占 16bits。(34)分組ID字段用來區(qū)分發(fā)送節(jié)點(diǎn)的不同分組，占8bits。該字段由發(fā)送節(jié)點(diǎn)填充，因此逐跳改變。(35)協(xié)議編號(hào)(優(yōu)先級(jí))字段用來區(qū)分應(yīng)用層協(xié)議，占6bits。不同的應(yīng)用協(xié)議具有不同的優(yōu)先級(jí)和QoS。(36)負(fù)載長(zhǎng)度字段占8bits，表示分組中應(yīng)用數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度；數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度可變。FCS校驗(yàn)碼長(zhǎng)度為16bits，用來校驗(yàn)分組在傳輸過程中是否出現(xiàn)差錯(cuò)。所述部分(4) Micro-ANP網(wǎng)絡(luò)傳輸層包最佳負(fù)載長(zhǎng)度計(jì)算公式如下(41)水聲傳輸?shù)膖oick路徑損耗公式(式1)
權(quán)利要求
1.一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的Micr0-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)方法，其特征在于，它包括 將傳統(tǒng)五層模型的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層功能合并為網(wǎng)絡(luò)傳輸層，再加上一個(gè)綜合管理平臺(tái)，構(gòu)成Micro-ANP的三層協(xié)議層次；Micro-ANP的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議組成及分組格式設(shè)計(jì)； UffSN包負(fù)載長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.如權(quán)利要求1所述的Micro-ANP三層協(xié)議模型架構(gòu)，其特征在于，所述的Micro-ANP 三層協(xié)議模型由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和物理層組成；應(yīng)用層協(xié)議包括圖像、音視頻、數(shù)據(jù)采集處理軟件，并對(duì)非緊急屬性數(shù)據(jù)執(zhí)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)融合(ALDA)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)、 多址訪問、可靠傳輸?shù)认盗袉栴}；物理層提供簡(jiǎn)單健壯的信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和無線收發(fā)技術(shù)； 另外，協(xié)議棧還包括一個(gè)綜合管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)能量、位置等信息的綜合管理和對(duì)節(jié)點(diǎn)的行為控制。
3.如權(quán)利要求1所述的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)，其特征在于，所述的Micro-ANP 的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議組成包括(1)用于降低延遲和沖突、減少重傳的可 靠多址接入MAC 協(xié)議-PCDMA (概率性CDMA) ;(2)基于優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)級(jí)差、位差、能量等優(yōu)化調(diào)度的差分 Geo-routing路由協(xié)議；(3)基于FEC、多路徑算法和網(wǎng)絡(luò)編碼的適應(yīng)性傳輸協(xié)議。
4.如權(quán)利要求1所述的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)，其特征在于，所述的Micro-ANP 的網(wǎng)絡(luò)傳輸層分組格式共10個(gè)字節(jié)，變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)單元除外，其中包括1 bit的流向字段、 8 bits的發(fā)送節(jié)點(diǎn)級(jí)別、16 bits的發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、1 bit的地址分類、16 bits的節(jié)點(diǎn)地址、 8 bits的分組ID、6 bits的協(xié)議編號(hào)、8 bits的負(fù)載長(zhǎng)度、變長(zhǎng)數(shù)據(jù)和16 bits的校驗(yàn)碼字段。
5.如權(quán)利要求1所述的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)，其特征在于，所述的UWSN 包負(fù)載長(zhǎng)度的優(yōu)化方案中，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每數(shù)據(jù)bit能耗、 最小化包的能量延時(shí)積為目標(biāo)，基于水聲傳輸?shù)膖o i c k路徑損耗、CDMA多址接入和(n, k} t)前向糾錯(cuò)碼技術(shù)，對(duì)UWSN包負(fù)載長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(UWSN)的Micro-ANP通信協(xié)議模型架構(gòu)方法。本發(fā)明方法包括Micro-ANP協(xié)議棧層次劃分、Micro-ANP網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議組成和分組格式設(shè)計(jì)、UWSN包負(fù)載長(zhǎng)度的優(yōu)化共三部分。Micro-ANP簡(jiǎn)明的協(xié)議層次和獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)分組格式，減少了傳統(tǒng)分層模型帶來的多重地址、首部長(zhǎng)度、校驗(yàn)和上層協(xié)議類型等封裝，解決了傳感器節(jié)點(diǎn)由于計(jì)算、存儲(chǔ)、能量等十分有限的資源，其上運(yùn)行的協(xié)議棧不能太復(fù)雜的問題；UWSN包負(fù)載長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低能量、端到端延時(shí)等資源消耗的同時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸可靠性?；诒景l(fā)明適用于基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)難預(yù)防、資源監(jiān)控等應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信，作為一種有效、實(shí)用的技術(shù)方案，應(yīng)用前景看好。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102572955SQ20121005314
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者杜秀娟 申請(qǐng)人:青海師范大學(xué)