CN104852771A - 一种适用于水声局域网的多跳接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水声局域网的多跳接入方法，包括网络发现、中继路径确定、关联三个阶段。在网络发现阶段，需接入网络的待接入节点首先通过广播网络发现探询包来探测可供接入的网络。在中继路径确定阶段，本发明提出一种基于路径寿命及能量效率的中继路径选择方法，该方法将优先选择寿命更长的路径作为中继路径，当路径的寿命相差不大时，将选择能量效率高的路径作为中继路径。在关联阶段，新节点完成与接入点的关联协商。为了实现多跳中继转发功能，本发现通过建立MAC地址转发表并查询该表来进行MAC层路由。本发明能够实现水声局域网中节点通过多跳方式接入网络的功能，并能够有效地延长网络的寿命及提高网络的能量效率。

Description

一种适用于水声局域网的多跳接入方法

技术领域

本发明属于水下声信道传感器网络技术领域，具体涉及一种适用于水声局域网的多跳接入方法。

背景技术

随着水下声通信技术的发展，水下声信道传感器网络引起了学术界及产业界的高度重视。水下声信道传感器网络是一种利用声波来传输数据的通信网络，它能够被广泛地应用于海洋环境监测、海洋科学数据采集、灾难早期预警及军事等领域。近年来，在陆地无线通信领域，以WiFi网络为代表的无线局域网取得了巨大的成功。WiFi网络通过为用户提供方便快捷的无线接入服务而极大地提高了互联网的用户接入量。同样，在水下建立类似于WiFi网络的水声局域网能够有效地扩大水声网络的覆盖范围。此外，由于局域网能够灵活部署，这种组网模式非常适用于水下网络的构建。因此，水声局域网具有巨大的应用前景。而由于水下节点往往稀疏地分布在水下三维空间里，水声局域网通常需要采用多跳的方式进行组网。

在构建水声局域网时，需要解决的一个关键问题是待接入的新节点如何通过多跳方式接入到网络中。当新节点能够通过多条中继路径接入网络时，该如何选择一条最佳的中继路径？对于这些问题，目前尚无可行的解决方案。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种适用于水声局域网的多跳接入方法，其目的在于，实现水下节点通过多跳方式接入水声局域网中。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：包括网络发现阶段、中继路径确定阶段和关联阶段三个步骤；

所述的网络发现阶段，包括以下子步骤：

步骤1.1：待接入节点首先广播一个网络探询请求包来查找可供接入的网络；

步骤1.2：一旦有已接入网络的节点接收到该网络探询请求包，则该节点回复一个网络探询响应包给待接入的节点；

步骤1.3：当待接入节点收到网络探询响应包，说明附近存在可供接入的网络，此时，待接入节点等待接收已接入节点发来的关联允许包；

所述的中继路径确定阶段，由于可能存在不止一个已接入网络的节点收到待接入节点发来的网络探询请求包，即可能存在多条可选的中继路径。在中继路径确定阶段，需要为待接入节点确定出一条最佳的中继路径。由于水下节点通常采用电池供电，因此节能是水下网络需要重点关注的问题。另外，水下多跳中继转发的模式往往导致节点具有不同的负载量，因此它们的能量消耗不均衡。为了延长网络的寿命及提高网络的能量效率，本发明提出一种基于路径寿命(LT)及路径能量效率(EE)的中继路径选择方法来进行中继路径确定，具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：当存在不止一条中继路径可供选择时，将往每条路径发送一个路径探询包，该包能够收集各条路径的寿命及跳数信息；

步骤2.2：当AP节点接收到所有的路径探询包后，就能够获得所有路径的路径寿命(LT)及跳数信息；

步骤2.3：AP节点将两两比较这些路径的路径寿命(LT)及跳数，当两个路径的路径寿命(LT)相差大于20％时，AP节点将选择路径寿命(LT)长的路径作为中继路径，否则，AP将选择跳数小的路径作为中继路径；

步骤2.4：当AP确定好中继路径后，将给中继路径上的中继节点发送一个中继路径确认包；

步骤2.5：中继节点接收到中继路径确认包后将给待接入节点发送一个关联允许包；

其中，一条路径的路径寿命(LT)定义为当待接入节点接入到该路径后，该路径能够生存的时间；对于一条N跳路径ph_i＝(v_N,…,v₁,AP)，其中节点v_i表示第i跳节点，AP为该网络的接入点，其路径寿命为：

LT_i＝Min{lt_i|i∈(1,…,N)}   (1)；

其中lt_i为节点v_i的寿命；

假设节点v_i的剩余能量为E_i，待接入节点接入之前v_i的负载量为S_i bit/s，在待接入节点接入之前v_i的中继负载量为R_i bit/s；其中每个已接入网络的节点通过统计单位时间内发送的比特量来获得S_i的值，统计单位时间内接收到的中继数据量来得到R_i的值；假设节点发送单位比特数据所消耗的能量为e_s，接收单位比特数据所消耗的能量为e_r，则待接入节点接入该N跳路径之后，该路径能够生存的时间为：

${\mathrm{lt}}_i=\frac{E_i}{(S_i+\mathrm{\λ})*e_s+(R_i+\mathrm{\λ})*e_r}---\left(2\right);$

其中λ为待接入节点的平均负载量，单位bit/s；

其中，路径能量效率(EE)定义为该路径替待接入节点每传输一个数据包至AP节点所需消耗的能量；若待接入节点接入至N跳路径ph_i，其数据包需要经过N+1次的中继转发才能到达AP节点；对一个lbit长的包，其转发至AP节点所需消耗的能量为(e_s+e_r)*l*(N+1)，因此该条路径的能量效率为：

${\mathrm{EE}}_i=\frac{l}{(e_s+e_r)*l*(N+1)}=\frac{1}{(e_s+e_r)*(N+1)}---\left(3\right);$

其中，e_s为节点发送单位比特数据所消耗的能量，e_r为节点接收单位比特数据所消耗的能量；

对于使用同一型号的水声调制解调器的水下节点，他们的发射功率及接收功率是相同的，因此所有节点的e_s和e_r是相同的。从等式(3)可以看出，路径的能量效率只与路径的跳数有关；

所述的关联阶段，当待接入节点接收到关联允许包后，即可通过关联操作来完成与AP的关联。

作为优选，所述的关联阶段中，通过让节点建立MAC地址转发表来进行MAC层路由，以实现多跳中继转发；其中，所述的MAC地址转发表的每条记录为一个二元组[目的地址，下一跳地址]，所有需要多跳传输的包的头部均需四个地址字段，即“Send address”、“Receive address”、“Source address”、“Destinationaddress”，其中“Send address”为该包当前的转发节点地址，“Receive address”为下一跳接收节点的地址，“Source address”为产生该包的节点的地址，“Destination address”为该包最终的目的节点的地址；通过每个节点地址转发表及包头的四个地址字段，即可实现MAC层的多跳中继转发；由于需要维护所述的MAC地址转发表，在待接入节点发出关联请求后，中继路径上的所有节点需要更新自己的MAC地址转发表，当所有节点完成了MAC地址转发表更新，则中继节点向待接入节点发送一个关联确认包，待接入节点接收到关联确认包后，即成功接入到了网络中。

作为优选，所述的多跳中继转发，其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：当节点接收到一个包，它首先判断该包头部的“Receive address”值是否为本节点的MAC地址；若是，则继续下一步处理；否则，丢弃该包；

步骤3.2：判断该包头部的“Destination address”值是否等于本节点的MAC地址；若是，则把该包交付给上层协议处理；否则，继续下一步处理；

步骤3.3：根据该包头部的“Destination address”值查询MAC地址转发表，获得下一跳MAC地址；

步骤3.4：更新该包的包头，即把“Send address”值更新为本节点的MAC地址，把“Receive address”值更新为下一跳MAC地址，保留“Source address”值与“Destination address”值不变；

步骤3.5：把该包转发给下一跳节点。

本发明的优势在于：能够实现水声局域网中节点通过多跳方式接入网络的功能；此外，由于采用了基于路径寿命及能量效率的中继路径选择算法，本发明能够有效地延长网络的寿命及提高网络的能量效率。

附图说明

图1：是本发明实施例的方法过程示意图；

图2：是本发明实施例的网络发现阶段的控制包格式图，其中(a)表示network_probe_req包格式，(b)表示network_probe_resp包格式；

图3：是本发明实施例的中继路径确定阶段的控制包格式图，其中(a)表示path_probe包格式，(b)表示relay_path_confirm包格式，(c)表示association_permit包格式；

图4：是本发明实施例的关联阶段的控制包格式图，其中(a)表示association_req包格式，(b)表示addressTable_update_req包格式，(c)表示addressTable_update_confirm包格式，(d)表示association_confirm包格式；

图5：是本发明实施例的MAC地址转发表示例图，其中(a)表示网络拓扑，(b)表示节点V₁的MAC地址转发表；

图6：是本发明实施例的多跳中继转发处理流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种适用于水声局域网的多跳接入方法，包括网络发现阶段、中继路径确定阶段和关联阶段三个步骤；其具体实现包括以下步骤：

步骤1：当一个节点需要接入网络的时候，它首先广播一个网络探询请求包network_probe_req来查找可供接入的网络。network_probe_req包的格式如图2(a)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Source address”字段、“Destinationaddress”字段、“Average load”字段。其中，“Flag”字段用于标识包的类型；“Seqnumber”字段为包的序列号；“Source address”字段为待接入节点的MAC地址；“Destination address”字段应设为广播地址；“Average load”字段为待接入节点的平均负载量，用于告诉网络该节点所需的传输带宽。

步骤2：若附近存在某个可供接入的网络，则该网络中接收到network_probe_req包的节点将向待接入节点回复一个network_probe_resp包。该包的格式如图2(b)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Source address”字段、“Destination address”字段、“LAN ID”字段。其中“Source address”字段为发送该network_probe_resp包的节点的MAC地址；“Destination address”字段应设为待接入节点的MAC地址；“LAN ID”字段为该局域网的ID。若待接入节点收到network_probe_resp包，说明附近存在网络可供接入，该节点将等待接收association_permit包。

步骤3：对于接收到待接入节点发来的network_probe_req包的节点，其需沿着其中继路径发送一个path_probe包至AP节点。path_probe包的格式如图3(a)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段、“Source address”字段、“Destination address”字段、“New node address”字段、“added load”字段、“Path lifetime”字段、“Hop number”字段。其中，“Send address”字段为该包的当前发送节点的MAC地址；“Receive address”字段为下一跳接收节点的MAC地址；“Source address”字段为发起该探询包的节点的MAC地址；“Destination address”字段为该探询包的最终目的MAC地址，即AP的MAC地址。“New node address”字段为待接入节点的MAC地址；“added load”字段用于记录待接入节点的平均负载量。“Path lifetime”字段用于记录此路径最小的节点寿命信息。此路径中的节点在接收到path_probe包后，需根据等式(2)计算出自己的寿命，并与path_probe包中的Path lifetime作比较，若本节点的寿命更短，则用本节点的寿命值更新path_probe包中的Path lifetime值。path_probe包中的“Hop number”字段用于记录路径的跳数，path_prob包每经过一跳，该值加1。当path_prob包被转发至AP节点，AP节点就能获得此路径的寿命信息及跳数信息。需要指出的是，在一个网络里，可能存在多个节点接收到network_probe_req包，即可能存在多条可选的中继路径。

步骤4：当AP节点接收到所有路径的path_prob包后，就能够根据所提出的中继路径选择方法选出最佳的中继路径。AP节点选出最佳中继路径后，将发送一个中继路径确认包relay_path_confirm给最佳中继节点。所谓的最佳中继节点指的是最佳中继路径上能够与待接入节点通信的节点。relay_path_confirm包的格式如图3(b)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段、“Source address”字段、“Destination address”字段、“Newnode address”字段、“Relay node address”字段。“Relay node address”字段用于告诉网络中的节点该待接入节点的中继节点地址。当最佳中继节点接收到relay_path_confirm包后，将向待接入节点发送一个关联允许包，即association_permit包，其格式如图3(c)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段、“Relay node address”字段、“APaddress”字段、“LAN ID”字段。“AP address”字段用于告诉待接入节点AP节点的MAC地址。

步骤5：当待接入节点收到中继节点发来的association_permit包之后，即可向中继节点发送一个association_req包，其格式如图4(a)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段。

步骤6：当中继节点接收到association_req包后，需向AP发送一个地址表更新请求addressTable_update_req包，该包将沿中继路径转发至AP节点。中继路径中的节点接收到该包后需把新加入的节点的地址及其相应的下一跳地址添加到MAC地址转发表中。所述的其相应的下一跳地址为所接收到的addressTable_update_req包中的“Send address”值。addressTable_update_req包的格式如图4(b)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段、“Source address”字段、“Destination address”字段、“Newnode address”字段。MAC地址转发表的一个示例如图5所示。图中节点v₄的中继节点为v₂；v₂与v₃的中继节点都为v₁；v₁直接接入到AP。由于v₁与v₂、v₃、AP有直接的关联关系，因此当v₁收到需发往这三个节点的数据包时，只需直接发往这三个节点。由于v₄的中继节点为v₂，而v₂的中继节点为v₁，因此当v₁收到需发往v₄的包时，需把该包发给v₂，通过v₂的中继转发给v₄。因此，对于节点v₁，它的MAC地址转发表如图5(b)所示，即目的地址00:00:00:00:00:00、00:00:00:00:00:02、00:00:00:00:00:03对于的下一跳地址分别为00:00:00:00:00:00、00:00:00:00:00:02、00:00:00:00:00:03；而目的地址00:00:00:00:00:04对于的下一跳地址为00:00:00:00:00:02。当AP节点完成地址转发表更新后，需向待接入节点的最佳中继节点回复一个地址表更新确认包addressTable_update_confirm，其格式如图4(c)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段、“Source address”字段、“Destination address”字段、“Newnode address”字段。

步骤7：最佳中继节点接收到addressTable_update_confirm包后立即向待接入节点发送一个association_confirm包，其格式如图4(d)所示，包括“Flag”字段、“Seq number”字段、“Send address”字段、“Receive address”字段。待接入节点接收到association_confirm包后即成功地接入到了网络中。

其中，本发明所涉及到的多跳中继转发流程如图6所示。其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：当节点接收到一个包，它首先判断该包头部的“Receive address”值是否为本节点的MAC地址；若是，则继续下一步处理；否则，丢弃该包；

步骤3.2：判断该包头部的“Destination address”值是否等于本节点的MAC地址；若是，则把该包交付给上层协议处理；否则，继续下一步处理；

步骤3.3：根据该包头部的“Destination address”值查询MAC地址转发表，获得下一跳MAC地址；

步骤3.4：更新该包的包头，即把“Send address”值更新为本节点的MAC地址，把“Receive address”值更新为下一跳MAC地址，保留“Source address”值与“Destination address”值不变；

步骤3.5：把该包转发给下一跳节点。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：包括网络发现阶段、中继路径确定阶段和关联阶段三个步骤；

所述的网络发现阶段，包括以下子步骤：

步骤1.1：待接入节点首先广播一个网络探询请求包来查找可供接入的网络；

步骤1.2：一旦有已接入网络的节点接收到该网络探询请求包，则该节点回复一个网络探询响应包给待接入的节点；

步骤1.3：当待接入节点收到网络探询响应包，说明附近存在可供接入的网络，此时，待接入节点等待接收已接入节点发来的关联允许包；

所述的中继路径确定阶段，采用基于路径寿命(LT)及路径能量效率(EE)的中继路径选择方法来进行中继路径确定，具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：当存在不止一条中继路径可供选择时，将往每条路径发送一个路径探询包，该包能够收集各条路径的寿命及跳数信息；

步骤2.2：当AP节点接收到所有的路径探询包后，就能够获得所有路径的路径寿命(LT)及跳数信息；

步骤2.3：AP节点将两两比较这些路径的路径寿命(LT)及跳数，当两个路径的路径寿命(LT)相差大于20％时，AP节点将选择路径寿命(LT)长的路径作为中继路径，否则，AP将选择跳数小的路径作为中继路径；

步骤2.4：当AP确定好中继路径后，将给中继路径上的中继节点发送一个中继路径确认包；

步骤2.5：中继节点接收到中继路径确认包后将给待接入节点发送一个关联允许包；

其中，一条路径的路径寿命(LT)定义为当待接入节点接入到该路径后，该路径能够生存的时间；对于一条N跳路径ph_i＝(v_N,…,v₁,AP)，其中节点v_i表示第i跳节点，AP为该网络的接入点，其路径寿命为：

LT_i＝Min{lt_i|i∈(1,…,N)}；

其中lt_i为节点v_i的寿命；

假设节点v_i的剩余能量为E_i，待接入节点接入之前v_i的负载量为S_i bit/s，在待接入节点接入之前v_i的中继负载量为R_i bit/s；其中每个已接入网络的节点通过统计单位时间内发送的比特量来获得S_i的值，统计单位时间内接收到的中继数据量来得到R_i的值；假设节点发送单位比特数据所消耗的能量为e_s，接收单位比特数据所消耗的能量为e_r，则待接入节点接入该N跳路径之后，该路径能够生存的时间为：

${\mathrm{lt}}_i=\frac{E_i}{(S_i+\mathrm{\λ})*e_s+(R_i+\mathrm{\λ})*e_r};$

其中λ为待接入节点的平均负载量，单位bit/s；

其中，路径能量效率(EE)定义为该路径替待接入节点每传输一个数据包至AP节点所需消耗的能量；若待接入节点接入至N跳路径ph_i，其数据包需要经过N+1次的中继转发才能到达AP节点；对一个lbit长的包，其转发至AP节点所需消耗的能量为(e_s+e_r)*l*(N+1)，因此该条路径的能量效率为：

${\mathrm{EE}}_i=\frac{l}{(e_s+e_r)*l*(N+1)}=\frac{1}{(e_s+e_r)*(N+1)};$

其中，e_s为节点发送单位比特数据所消耗的能量，e_r为节点接收单位比特数据所消耗的能量；

所述的关联阶段，当待接入节点接收到关联允许包后，即可通过关联操作来完成与AP的关联。

2.根据权利要求1所述的适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：所述的关联阶段中，通过让节点建立MAC地址转发表来进行MAC层路由，以实现多跳中继转发；其中，所述的MAC地址转发表的每条记录为一个二元组[目的地址，下一跳地址]，所有需要多跳传输的包的头部均需四个地址字段，即“Sendaddress”、“Receive address”、“Source address”、“Destination address”，其中“Sendaddress”为该包当前的转发节点地址，“Receive address”为下一跳接收节点的地址，“Source address”为产生该包的节点的地址，“Destination address”为该包最终的目的节点的地址；通过每个节点地址转发表及包头的四个地址字段，即可实现MAC层的多跳中继转发；由于需要维护所述的MAC地址转发表，在待接入节点发出关联请求后，中继路径上的所有节点需要更新自己的MAC地址转发表，当所有节点完成了MAC地址转发表更新，则中继节点向待接入节点发送一个关联确认包，待接入节点接收到关联确认包后，即成功接入到了网络中。

3.根据权利要求2所述的适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：所述的多跳中继转发，其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：当节点接收到一个包，它首先判断该包头部的“Receive address”值是否为本节点的MAC地址；若是，则继续下一步处理；否则，丢弃该包；

步骤3.2：判断该包头部的“Destination address”值是否等于本节点的MAC地址；若是，则把该包交付给上层协议处理；否则，继续下一步处理；

步骤3.3：根据该包头部的“Destination address”值查询MAC地址转发表，获得下一跳MAC地址；

步骤3.4：更新该包的包头，即把“Send address”值更新为本节点的MAC地址，把“Receive address”值更新为下一跳MAC地址，保留“Source address”值与“Destination address”值不变；

步骤3.5：把该包转发给下一跳节点。