[发明专利]一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法

说明书

本发明公开了一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，首次提出了一种柱状蜂窝式三维分区结构，该三维分区结构采用了时分复用多址访问技术(Time Division Multiple Access：TDMA)、集群结构路由协议与机会路由协议的跨层结合。其中，柱状蜂窝式分区结构可有效抑制交叉声波传输路径的形成，保障各信号传播路径间有效间隔，以此降低声波信号干扰，提高网络的通信性能；时分复用多址访问技术可灵活分配各区的数据传送时隙，优化水下传感器节点的信道占用时间；集群结构路由协议与机会路由协议的结合可适应水下环境的多变性、不可预测性与水下传感器网络的高延时特性。

技术领域

本发明属于水下无线传感器网络跨层通信技术领域，具体涉及一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法。

背景技术

制约水下传感器网络通信性能的典型问题为声波通信的信号干扰。信号干扰源于无线通信的非定向特性，拥有相同传输空间的无线终端在相同时间段各自收发数据时，可引发信号干扰，导致数据冲突。

针对水下传感器网络的信号干扰问题，近期的主要研究焦点是抗干扰型网络层路由协议的设计与数据链路层MAC(Media Access Control)协议的设计。前者的研究途径是优化水下传感器网络的空间拓扑结构，以减少交叉数据传送路径、分析有效转发节点等方法减少信号干扰；后者的研究途径是优化水下传感器节点的信道占用时间，以监测水下信道、分配数据转发时隙等方法减少信号干扰。

目前的针对水下传感器网络防干扰设计存在以下问题：

1、信号干扰的解决方法之一是使用载波监听冲突回避机制。但该机制会引起频繁的控制数据流，推迟正常数据的传输。这种问题在通信性能受限的水下声波通信尤其明显。

2、传感器网络的路由协议首要考虑全局网络的能量平衡。而水下环境的不可预测性会导致节点能耗的不规则性，从而形成多数交叉、相近声波传播路径的形成，加剧信号干扰。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，结合了网络层集群路由、机会路由与数据链路层时分复用技术，可在复杂的水下三维传感器网络中有效抑制相互交叉的声波传输路径的形成，由此减少声波信号干扰，提高通信性能。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于柱状蜂窝式水下传感器网络跨层数据传输方法，包括以下步骤：

(1)建立水下传感器网络，包括水底节点、水中转发节点、浮标节点和汇聚节点；所述水底节点、水中转发节点与浮标节点均具备水声通信功能；

(2)将水下传感器网络分成若干个相邻接的形状为蜂窝式六棱柱结构的分区，使用三种时隙标识符对各分区进行分配，且相邻分区的时隙标识符不同；

(3)不同时隙标识符对应不同时隙，设定具有相同时隙标识符的分区内节点使用同一个时隙进行数据传输，具体数据传输过程为：水底节点使用水声通信，通过水中转发节点将数据发送至浮标节点；

(4)汇聚节点与各分区内的浮标节点之间采用电磁波无线通信，通过电磁波无线通信将数据发送至管理中心。

进一步地，所述水底节点的位置固定，部署时已配备位置信息；所述水中转发节点的位置不定，其可获取深度信息；所述浮标节点部署在水面上，可通过定位获取位置信息；所述汇聚节点的数目可以是一个或者多个，游走于水面，与各分区内的浮标节点无线通信获取数据。

进一步地，所述水下传感器网络中所有水底节点均装设有压力传感器，以获取其深度信息。

进一步地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：