基于并行協(xié)作空時復用的uan數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲網(wǎng)絡技術(shù)，設及水聲通信、無線網(wǎng)絡、傳感器技術(shù)等相關(guān)學科。
【背景技術(shù)】
[0002] 隔水管疲勞監(jiān)測網(wǎng)絡是由一個位于水面W下的目的節(jié)點和若干沿隔水管分布的 源節(jié)點構(gòu)成的線性拓撲結(jié)構(gòu)的水聲網(wǎng)絡扣AN)。隨著海洋石油進軍深水和超深水區(qū)域，隔水 管疲勞監(jiān)測網(wǎng)絡由節(jié)點稀疏的網(wǎng)絡一躍成為覆蓋范圍廣、節(jié)點密集的大規(guī)模高密度水聲網(wǎng) 絡，如圖1所示。
[0003] MC協(xié)議的功能是如何解決多個節(jié)點高效、合理的共享有限的信道資源問題。目前 的MC協(xié)議主要有FDMAXDMA和TDMAS種。由于水聲信道的窄帶特征、衰減和多徑導致的 帶限系統(tǒng)的易損性W及遠近效應，F(xiàn)DMA不適合線性拓撲的隔水管疲勞監(jiān)測網(wǎng)絡。
[0004] CDM不存在節(jié)點沖突，在水聲多徑導致頻率選擇性衰落方面具有較強的魯棒性。 此外，CDMA協(xié)議可W提高信道復用減少包重傳，降低功耗，提高網(wǎng)絡吞吐量。但是，CDMA協(xié) 議的系統(tǒng)復雜，目前應用于水聲網(wǎng)絡還需很長的路要走。
[0005]由于水聲信道的大時延、高衰減、窄帶寬W及節(jié)點能量受限特性，大規(guī)模密集監(jiān)測 網(wǎng)絡若采樣TDM方法，則水聲監(jiān)測網(wǎng)絡的時延和功耗等將急劇增大，降低網(wǎng)絡效率。TDM 不適用于大規(guī)模密集水聲監(jiān)測網(wǎng)絡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種并行協(xié)作空間復用的水聲監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù) 據(jù)傳輸方法，能夠降低大規(guī)模密集水聲網(wǎng)絡的時延和功耗，延長其服役壽命，提高網(wǎng)絡效 率。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括W下步驟：
[000引第一步，對于N個源節(jié)點和1個目的節(jié)點構(gòu)成的等距離線性拓撲水聲監(jiān)測網(wǎng)絡，Si,S2,S3，…，Si, ."Sn表示N個源節(jié)點的排序，序號為奇數(shù)的源節(jié)點S1、S3、Ss、."A同時 將數(shù)據(jù)依次傳輸給序號為偶數(shù)的源節(jié)點S2、S4、Se、…Sk,j《N，k《N且k聲j;對于源節(jié) 點Sw，若序號為奇數(shù)，其數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點，否則源節(jié)點Sw接收相鄰的上一節(jié)點發(fā)射的 數(shù)據(jù)；
[0009] 第二步，序號為偶數(shù)的源節(jié)點將所接收的數(shù)據(jù)與自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包進行合并，形 成新數(shù)據(jù)包；目的節(jié)點只負責接收數(shù)據(jù)包，不進行包合并；
[0010] 第=步，序號為偶數(shù)的源節(jié)點將形成的新數(shù)據(jù)包按順序從小到大同時發(fā)送給相鄰 的下一節(jié)點；
[0011] 第四步，第=步中接收數(shù)據(jù)的節(jié)點將所接收的數(shù)據(jù)同時依次往相鄰的下一節(jié)點發(fā) 送；
[0012] 第五步，重復第=步和第四步，直到所有的數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點為止。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014]I.降低了監(jiān)測網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸時延。時延的降低得益于：1)數(shù)據(jù)并行傳輸與節(jié)點 協(xié)作允許網(wǎng)絡多個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)，從而節(jié)約了數(shù)據(jù)傳輸時間，極大的降低了數(shù)據(jù)的傳 輸時延。2)通信距離降低，數(shù)據(jù)速率增大，發(fā)送耗時減小，數(shù)據(jù)包不變的條件下，發(fā)明采樣的 方案降低了傳輸時延。
[001引 2.降低了系統(tǒng)能耗。能耗的降低得益于：1)本發(fā)明使得單跳距離縮短，W較小的 發(fā)射功率即可獲得相同誤包率。時延不變時，傳輸同等長度的數(shù)據(jù)包，本發(fā)明的能耗更小。 2)單跳距離縮短，發(fā)射速率增大，發(fā)射時延降低，同時，發(fā)射功率也變小。時延和功率同時變 小的情況下，總能耗與現(xiàn)有技術(shù)相比，大幅降低。
【附圖說明】
[0016] 圖1是隔水管監(jiān)測網(wǎng)絡示意圖；
[0017] 圖中al表示隔水管，曰2為深水鉆井平臺，曰3為海底井口，曰4為位于水面W下的接 收節(jié)點，a5為若干沿隔水管布放的監(jiān)測節(jié)點。
[0018] 圖2是并行協(xié)作空時復用原理圖，其中，圖2(a)表示監(jiān)測網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，圖2化） 給出了并行協(xié)作空時復用原理；
[0019] 圖中黑色S角表示目的節(jié)點，并用D表示，黑點表示源節(jié)點，分別編號為 (Si, S2, S3,…，Si,…，Sn,1《i《N}，圖中開闊箭頭表示數(shù)據(jù)包傳輸方向，即所有源節(jié)點的數(shù) 據(jù)包都將被傳輸至目的節(jié)點D;燕尾箭頭表示一個數(shù)據(jù)包的從一節(jié)點傳輸至相鄰的下一節(jié) 點；黑色圓圈表示本周期內(nèi)源節(jié)點沒有數(shù)據(jù)包傳輸或協(xié)作其他節(jié)點，而進入休眠狀態(tài)。
[0020] 圖3表示為本發(fā)明與TDM時延和能耗結(jié)果第一示意圖。
[0021] 圖4表示為本發(fā)明與TDMA時延和能耗結(jié)果第一示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0023] 本發(fā)明提供一種并行協(xié)作空時復用的數(shù)據(jù)傳輸方法。對于N個源節(jié)點和1個目的 節(jié)點構(gòu)成的等距離線性拓撲水聲監(jiān)測網(wǎng)絡，該方法通過源節(jié)點之間的協(xié)作，降低網(wǎng)絡系統(tǒng) 的總時延和總能耗，提高網(wǎng)絡性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案：
[0024] 第一步，數(shù)據(jù)并行傳輸。序號為奇數(shù)的源節(jié)點si、S3、％、…，S，，j《N，同時將數(shù) 據(jù)依次傳輸給序號為偶數(shù)的源節(jié)點S2、S4、Se、…Sk,k《N且k聲j。對于源節(jié)點卻，若序 號為奇數(shù)，其數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點，否則，其接收上一節(jié)點發(fā)射的數(shù)據(jù)。其中Si,S2,S3,…， Si,…，Sn，1《i《N為對N個源節(jié)點的排序。
[0025] 第二步，節(jié)點協(xié)作與數(shù)據(jù)包合并。第一步接收數(shù)據(jù)的源節(jié)點，將所接收的數(shù)據(jù)與自 己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包進行合并，形成長度為原數(shù)據(jù)包2倍的新數(shù)據(jù)包。目的節(jié)點只負責接收數(shù) 據(jù)包，不進行包合并。
[00%] 第=步，新數(shù)據(jù)并行傳輸。序號為偶數(shù)的源節(jié)點所形成的新數(shù)據(jù)包按順序從小到 大同時發(fā)送給下一節(jié)點，即新數(shù)據(jù)包由源節(jié)點S2、S4、Se、…Sk,k《N，同時傳輸至節(jié)點S3、Ss、S?、…，s.j，j《N 且 j 聲 k。
[0027]第四步，第S步中接收數(shù)據(jù)的節(jié)點，目的節(jié)點除外，將所接收的數(shù)據(jù)繼續(xù)同時依次 往與之相鄰的下一節(jié)點發(fā)送。
[0028] 最后，對第=步和第四步的內(nèi)容進行循環(huán)，直到所有的數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點為止。
[0029] 下面對上述方法進行理論推導，并通過實例說明發(fā)明效果。
[0030] 首先，根據(jù)圖2,對節(jié)點和數(shù)據(jù)傳輸時隙進行編號。將源節(jié)點按與目的節(jié)點距離由 遠及近進行編號為Si,S2,S3,…，Si,…，Sw, 1《i《N。每個源節(jié)點產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，其長度為 L。N個數(shù)據(jù)包全部傳輸?shù)侥康墓?jié)點D的時間為一個周期。根據(jù)并行協(xié)作空時復用方法（簡 記PCSTR)的原理，PCSTR的一個周期被分為N個時隙，每個時隙的長度等于數(shù)據(jù)包從發(fā)射到 下一節(jié)點接收所耗時間。一個周期內(nèi)，所有時隙排序為{Ti，Tz,Ts,…，Tl,…，町，1《i《N}。
[0031] 假設源節(jié)點Si與目的節(jié)點之間的距離為d，則任意相鄰節(jié)點間的距離為ds=d/ n。PCSTR的時延和能耗公式推導如下：
[0032] 6. 1PCSTR的時延
[0033] 任意單跳的傳輸時延由=部分構(gòu)成：發(fā)送時延，傳輸時延和接收時延
[0034] 時隙Tl中，時延為
[00 對
（1)
[0036] 其中L為數(shù)據(jù)包長度，C為水中聲速1500m/s，fW為接收端采樣頻率，！為傳輸距 離，R為數(shù)據(jù)發(fā)送速率，單位化PS，其滿足
[0037]
[00測時隙Tz至T沖，每個時隙的時延相等，均為
[00例
似
[0040] 其中L為數(shù)據(jù)包長度，C為水中聲速1500m/s，fW為接收端采樣頻率，！為傳輸距 離，R為數(shù)據(jù)發(fā)送速率，其滿足RX1 = 40km沖bps。
[0041] 貝IJPCSTR方法的總時延為：
[0042]
城 陽0創(chuàng)其中L為數(shù)據(jù)包長度，C為水中聲速1500m/s，fW為接收端采樣頻率，！為傳輸距 離，R為數(shù)據(jù)發(fā)送速率，其滿足RX1 = 40km沖bps。
[0044] 作為比較，一跳直達的TDMA方法的源節(jié)點Si(1《i《n)的時延為：
[0045]
曲
[0046] 式中，n為源節(jié)點數(shù)量，L為數(shù)據(jù)包長度，C為水中聲速，取值為1500m/s，1為傳