[发明专利]一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下通信，尤其是涉及一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法。

背景技术

当前，水下数据传输在保卫国家海洋安全、海底资源勘探、海洋灾难预警与扩大国民经济发展空间的等方面均发挥着重大作用。随着海底科学观测网建设的推进和实施，发展水声通信及其网络技术，建立可靠的水下数据传输网络，是当今海洋高技术研究的热点之一。

水下声传播速度缓慢、海水对声波的吸收以及海水介质的复杂、多变性等因素，都将对水声信号产生严重干扰。由于水声信道的固有属性，要实现高速水声通信，必须提高工作频率，但传输距离却受限，因此为实现高速远距离水下数据传输，通常采用多跳的方式进行传输(W.Zhang,et al.Analysis of a Linear Multihop Underwater Acoustic Network[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2010,35(4):961-970)。与直接进行长距离通信相比，通过短距离多跳实现远距离通信系统整体所消耗的能量更低(Gregory J.Pottie,et al.Embedding the Internet:Wireless Integrated Network Sensors[J].Communications of the ACM,2000,43(5):51–58)。

同时，通过协作节点可以有效降低通信误码率、提高水声通信的带宽利用率和系统容量、扩大覆盖范围，是水声通信网络极具发展潜力的一个研究方向(陈友淦.水声网络信道编码与协作关键技术研究[D].厦门:厦门大学博士学位论文,2012)。

此外，在水声多跳协作网络系统中，越长距离的水声数据传输则需布放更多的中继节点，作为水声网络的基本单元，水下节点长期工作在水下，不仅节点能量供应和传输功率受限，而且水下节点的布放和维护难度都很大。

发明内容

本发明的目的在于提供可降低现有水声多跳通信网络数据传输成本及能量损耗，利用航道上服从一定概率分布出现的行船，搭载水声数据收发装置，通过合理设置发送功率，建立船载中继节点及船载协作节点在源节点及目的节点之间进行水声数据多跳协作传输的机制。可以有效增加水声数据传输距离，同时降低水下中继节点、协作节点的布放和维护成本，进而降低水声数据传输系统的整体代价的一种基于行船中继节点的水声数据多跳协作传输方法。

本发明包括以下步骤：

1)统计近海海域航道中行船出现的概率分布，同时将统计得到的各船之间的距离d的范围记为：

d_max＞d＞d_min(1)

其中，d_max和d_min分别表示各船之间的最大距离和最小距离；水声数据发射接收的有效接收距离为L，源节点S每隔时间T广播发射一个数据包信号；定义以水声数据发射点为圆心以L为半径的圆范围内为水声数据发射的有效接收范围；

2)在近海海域，当航道上配备有水声数据收发装置的行船进入有效接收范围时，则接收来自源节点S的信号；

3)若同时有两艘行船出现在有效接收范围内，距离目的节点较远的一艘行船选为协作节点C₁，其距离设为l₁，距离目的节点较近的另一艘行船选为中继节点R₁，其距离设为l₂。因此，l₁、l₂关系应满足：

L＞l₂＞l₁(2)

根据航道中行船的船间距分布确定L的取值。例如，船间距d分布在d_min～d_max之间，则：

L≥d_max(3)

假设行船的平均航速为V，航道宽度为H且源节点S在航道正中，要使得水声数据传输过程中行船不驶出航道，必须满足以下关系式：

其中c为海水中声传播的速度。

4)协作节点C₁将接收到的信号解码转发给中继节点R₁，中继节点R₁将来自源节点S和协作节点C₁的信号进行联合解码；