[发明专利]以自适应和接合的方式管理水下网络中的节点的路由策略和重传策略的方法及其实现装置

说明书

本发明的方法设想通过作为ISO‑OSI模型的数据链路层的顶部子层的LLC通信协议(LLC逻辑)从单节点上可用的特定通信设备中自主地逐节点地确定用于要传输/重传的每个数据包的要使用的特定通信设备，所述数据包要被传输到节点的哪个子集(路由逻辑)，即所述数据包要被传输到的邻近节点的数量和集合，通过使用使每个节点能够根据已经进行的传输的数量动态地学习和选择最佳操作模式的分散式自学习算法，从可用的多个可用通信设备中自主地逐节点地确定要使用的特定通信设备和要进行的最大重传数量。

技术领域

本发明涉及水下传感器网络中的通信的扇区，并且更具体地涉及一种用于动态确定通过网络节点重传数据包的逻辑以便优化网络本身的性能的方法。

UWSN(水下无线传感器网络)的使用提供了大范围的应用，诸如，尤其，环境监视、关键基础设施的监视、以及海上平台的监视、港口和海岸的监测等。

水下传感器网络(图1)由一组节点组成，适当地定位以覆盖感兴趣的区域并位于各种深度，其中一些可以是移动自主车辆。每个节点配备有传感器和一个或多个通信设备。节点从周围环境中收集数据，在本地处理的步骤之后，数据被发送到一个或多个数据收集器或信宿节点(sink nodes)，其基于应用的类型在别处存储/处理/输送数据。数据交换也可以考虑发送关于器件状态的命令或信息。

在节点之间创建通信网络需要解决表征水下环境中通信的各种问题。首先，考虑到水下环境对电磁波(其在水中显著衰减)的使用所强加的限制，通信到目前典型地已经经由声波获得，这意味着显著的传播延迟(秒的数量级)和有限的传输频带(每秒几千比特)。此外，正如多个实验活动充分证明的，存在质量的相当大的异构性、变化性以及节点之间的通信信道的不对称性，传输特征显著取决于各种条件，诸如深度、温度、盐度、海床的剖面、地面风的条件、例如通过经过的船只所产生的噪声等，此外，这些条件还会经历随时间(甚至在短期间内)频繁地不可预见的变化。

在这种背景下，考虑到以上水下传感器网络的应用的所有关键方面，主要挑战之一是可靠的通信，即保证由各个节点生成的数据包将被递送到信宿节点(并且这在合理的时间内)的能力。

增加通信可靠性的第一种解决方案是泛洪技术，其利用声通信中固有的广播本质：每个数据包寻址到所有节点，并且接收数据包的每个节点以广播模式再次将其送回。然而，如果一方面该解决方案最大化了数据包到达信宿节点的可能性，则在能耗方面，网络流量(traffic)的成本和相应的网络崩溃的风险随着碰撞数量的增加而增加，以及吞吐量的显著减少和随之发生的甚至不受控制的延迟增加，使得该解决方案不能令人满意或很少行得通。

为了保持泛洪技术的优点和简单性，防止其上述缺点，各种方法采用有限的泛洪解决方案，其中每个节点将每个数据包发送到其它节点的受限集合：如果每个节点将其自己的流量发送到仅一个节点，则我们有单路径，即没有任何冗余的经典单路径路由；如果一个或多个节点将它们自己的流量发送到多个网络节点，则有多个网络路径和因此的冗余，且路由是多路径路由。

增加通信可靠性的另一解决方案在于使用重传技术。对于每个传输的数据包，传输节点进入等待状态，其中它等待收件人节点收到其确认。在水下传感器网络中，考虑到缺乏网络频带，广泛使用以下隐式确认：利用广播通信装置，如果节点检测到(其已经将数据包发送到的)至少一个节点重传数据包，则认为数据包已被成功发送。相反，如果没有检测到数据包的副本，则假定没有节点已经接收到数据包，并且该数据包在回退(backoff)期间之后被重传。数据包被重传一定次数，在这之后其被拒绝。在这种情况下，最大重传次数起着重要的作用：重传值非常高增加了递送的可能性，但同时增加了网络延时(latency)、能耗，并且反过来增加了网络流量。

作为本发明基础的发明想法在于，将中继节点的选择策略(路由功能)和重传策略组合，以便从传输的可靠性、网络延时以及能耗的立场来优化性能。通过应用由每个节点执行的(并且因此分布式)算法，以动态和自适应的方式做出选择，这使节点能够动态地学习和选择要传输每个数据包的邻近的最佳数量和集合以及要重传每个数据包的最大次数。