[发明专利]水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法

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UWSN网络通信协议体系模型架构方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN Wireless Sensor Networks）将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们的信息获取和管控能力，在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，成为信息科学的重要研究领域；将传器网络应用到水环境中的新型网络形式-水下传感网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks）的研究与应用也逐渐受到各国部门、工业界、学术界、科研机构等极大关注，水下传感器网络直接细粒度的实时数据为有效解决水下生态监测提供重要保障基础。目前存在多种无线通讯协议，不同生产厂家在硬件平台、操作系统等方面没有统一的标准。ZigBee协议栈在物理层与数据链路层基于IEEE 802.15.4 标准。IEEE 802.15.4是为省电而设计的标准，要求短时间的数据传输操作，不能传输大量数据。IEEE 802.11 无线通讯能够传送很大数据量，但是耗电量很多，不适用于长延时、低带宽、高错误率、有限能量、稀疏拓扑的UWSN网络要求，水声信道的独有特性使UWSN协议设计面临诸多挑战。目前UWSN研究正处于起步阶段，且多集中在路由和MAC层，针对UWSN的协议体系架构较少有人问津。迄今为止的UWSN研究大多基于传统的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层协议模型，基于该五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变、节点资源有限的UWSN环境，网络高效性只有通过跨层设计来实现。为了克服分层设计带来信息不能共享的短板，根据具体应用将从物理层、MAC层、再到路由、传输和应用层，从传输功率控制、信道编码、路由实现到可靠传输等采用跨层优化设计，将某一层的性能变化、运行状况、字段信息等向隶属其它层的协议汇报并使它层协议的决策做出合适调整，从而充分利用UWSN的有限资源，但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。UWSN传感器节点的计算、存储、能量等资源十分有限，其上运行的协议栈不能太复杂，UWSN网络亟需研究新型通信协议栈。

发明内容

有鉴于此，本发明提出Micro-ANP（Micro-application/network transmission/physical）协议架构模型，将UWSN网络通信协议分为应用层、网络传输层和物理层，此外还包括一个综合管理平台，进行能量、位置等信息管理与节点控制；通过分析UWSN水声信道特性以及面临的技术挑战，提出了Micro-ANP网络传输层协议设计：使用PCDMA多址访问技术减少端到端的传播延时，使用基于应用优先级、节点剩余能量和级差信息实现差分Geo-routing路由，降低端到端的能量消耗和延时，使用适应性传输实现逐跳传输与端到端传输的可靠保障；针对UWSN网络的以数据为中心和有向通信等特点，设计了只包含10个字段且只有10字节（变长数据字段除外）的分组格式；基于水声传输的Urick路径损耗、CDMA多址接入和                                                前向纠错码技术，以最大化端到端的包吞吐量、最小化每数据bit能耗、最小化包的能量延时积为目标，采用MATLAB优化工具对UWSN包负载长度进行优化。

 

为了达到上述目的，本发明提供了水声传感器网络的Micro-ANP通信协议模型架构方法，其特征在于，包括下列几个组成部分：

（1）             迄今为止的UWSN研究基于传统五层协议模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。基于传统五层模型的研究表明，在水下信道复杂多变以及节点能源有限的UWSN环境，网络的高效性只有通过跨层设计实现。但过多跨层设计带来无法克服的复杂问题。通过分析UWSN技术挑战、通信特点及传统协议栈的应用局限性，将传统五层模型的传输层、网络层和数据链路层功能合并为一层，提出包括应用层、网络传输层和物理层的Micro-ANP协议分层模型。