CN107071857B - 一种水下无线多跳网络初始化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下无线多跳网络初始化方法，首先由主控节点广播hello分组，通知网络中所有节点开始初始化；第1至m跳节点依次将本地获得的最新邻居信息添加到hello分组中并向网络发送；第m‑1至第1跳节点依次将本地拓扑信息添加至局部拓扑信息中并向网络发送；待主控节点获得全网拓扑信息后由第1至m跳节点依次向网络发送。本发明能够使全网络节点能够以低的开销和能耗完成拓扑发现，获得一致的全网拓扑。

Description

一种水下无线多跳网络初始化方法
技术领域
本发明属于自组织无线传感器网络技术领域，适合于水声多跳网络各种无线自组织传感器网络系统。
背景技术
网络初始化是水声多跳网络的支撑技术之一。对于水声多跳网络，在网络部署的初始阶段，将传感器节点随机布放于待检测区域，当节点布置完毕后，除了自身的信息外，对周围相邻节点的信息毫无所知，此时网络处于无结构状态，在这种情况下，网络无法进行信息采集与处理，因此需要进行网络初始化过程，形成最初的网络结构，使得网络MAC(Media Access Control媒体访问控制)层协议能在初始结构下很快搭建，从而网络能够运行。有效的网络初始化方法有利于形成良好的最初网络结构，不仅能够提高路由协议和MAC层协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等任务的实现提供网络基础，而且可以延长整个网络的使用时间，对网络运行有至关重要的作用。
目前为止，国外研究机构提出了一些关于水下无线多跳网络的初始化方法。初始化方法大致可分为两类：基于分布式网络初始化和基于分层式网络初始化。
基于分布式网络初始化，Roberto Petroccia提出一种自主分配节点ID(IDentity)的DIVE(distributed ID assignment and topology discovery分布式地址分配和拓扑发现)方法，该方法将节点布放下去，节点自主产生随机数作为该节点的ID，之后各节点根据本地计时器时间开始广播发现邻居节点HELLO包，生成全网拓扑信息后结束初始化过程，进入后台运行状态。这种方法完成初始化的时间较长，开销较大，而且全网节点自主随机开始广播HELLO分组大大增加了碰撞概率。
基于分层式网络初始化，Ashish Patil提出通过一个种子节点A发送HELLO包，从反馈回来的数据中选择出B节点为第二个种子节点并告知B节点，之后B节点作为种子节点广播HELLO包，若B节点的邻居节点中没有从未做过种子节点的节点，则返回上一个种子节点继续进行初始化，以此类推，生成的种子节点注册表在种子节点间传阅，最后广播拓扑信息，使全部节点获得拓扑信息。这种方法带来的时间开销比较大，不能发现全部节点拓扑信息，同样的不能避免数据包无序冲突问题。
就目前收集到的资料来看，国外对水下无线多跳网络初始化问题的研究才刚刚开始，国内其他研究机构则尚未开展这项研究。为此，设计出一种避免初始化数据包无序碰撞、开销较小、复杂度低的水下多跳网络初始化方法迫在眉睫。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于TDMA的水下无线多跳网络的初始化方法，能够使全网络节点能够以低的开销和能耗完成拓扑发现，获得一致的全网拓扑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1，包含n个节点的网络中，主控节点N广播hello分组，通知网络中所有节点开始初始化；所述的hello分组中包括数据包类型Type1、发送节点类型Type2、发送节点ID以及该发送节点的邻居信息表LIST1；
所述的数据包类型Type1用H表示hello分组，用T表示局部拓扑信息；所述的发送节点类型Type2用N表示主控节点，用1、2、…、m表示第一跳节点、第二跳节点、…、第m跳节点；所述的发送节点ID用1、2、…、n表示第1、2、…、n个节点为发送节点；所述的邻居信息表LIST1为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，矩阵元素为1表示对应节点为发送节点的邻居节点，矩阵元素为0表示对应节点不是发送节点的邻居节点；
步骤2，第一跳节点收到来自主控节点的hello分组后，将本地获得的最新邻居信息添加到hello分组中，依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙向网络中发送自身hello分组；
步骤3，下一跳节点接收到hello分组后更新本地邻居信息表，将本地获得的最新邻居信息添加到hello分组中，依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙向网络中发送自身hello分组，重复本步骤，直到第m跳节点发送自身hello分组完毕；
步骤4，第m-1跳节点收到第m跳节点发送的hello分组后，更新本地拓扑信息并依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙发送最新的自身局部拓扑信息给第m-2跳节点；所述的局部拓扑信息包括数据包类型Type1、发送节点类型Type2、发送节点ID以及该发送节点的局部拓扑信息LIST2；所述的局部拓扑信息LIST2为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，矩阵元素为1表示对应节点为发送节点的拓扑连接节点，矩阵元素为0表示对应节点不是发送节点的拓扑连接节点；
步骤5，重复步骤4，直到第一跳节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙发送自身局部拓扑信息给主控节点，这时主控节点获得了全网拓扑信息；
步骤6，主控节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙将全网拓扑信息发送给第一跳节点，第一跳节点存储再将其转发给第二跳节点，依次进行，直到第m跳节点接收到来自第m-1跳节点转发的全网拓扑信息并存储在本地。
本发明的有益效果是：
1、基于节点ID的无冲突网络初始化方法能够在网络随机布放后使网络节点快速获得完整的最初网络拓扑信息，有效避免了网络初始化过程中存在的数据包无序碰撞和获取完整拓扑信息开销大的问题，快速有序完成网络建立，为网络后续正常工作提供基础。
2、本发明方法简单有效，开销小，操作实施简单，具有可实施性。
3、本发明拥有广泛的应用场景，适用于各种无线多跳网络初始化，可以应用于地、空、海等多种无线多跳网络。
4、本发明具有较低的开销和能耗，有利于延长整个网络的生存期。
附图说明
图1是本发明的六节点仿真具体实施示意图；
图2是本发明的网络初始化数据包格式示意图；
图3是本发明的仿真节点分布图；
图4是本发明仿真得到的全网拓扑信息示意图；
图5是仿真六节点时帧格式图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明的网络中共有n个节点，假设节点在布放完成后已获得时钟同步，每个节点已知自身ID，并按照自身ID顺序分配固定时隙，有效避免碰撞。根据网络节点的连通特性，网络中节点分层为主控节点、第一跳节点、第二跳节点一直到第m跳节点。
具体步骤如下：
1、主控节点N广播hello分组，通知网络中节点初始化开始。hello分组中包括数据包类型Type1(hello分组用H表示和局部拓扑信息用T表示)、发送节点类型Type2(定义主控节点用N表示，第一跳节点用1表示，第二跳节点用2表示...第m跳节点用m表示)、发送节点ID以及该发送节点的邻居信息表LIST1，发送节点ID用1、2、…、n表示。[Type1：H，Type2:N，ID:1，LIST1]。LIST1为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，n为网络中总共节点数，网络初始化数据包格式如图2所示。
2、第一跳节点收到来自主控节点的hello分组后，将本地获得的最新邻居信息包含在hello分组中，依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送自身hello分组。
3、下一跳节点接收到hello分组后更新本地邻居列表，将本地获得的最新邻居信息也包含在hello分组中，并依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送自身hello分组，依次进行，直到第m跳节点发送自身hello分组完毕。
4、第m-1跳节点收到第m跳节点发送的hello分组后，更新本地拓扑信息并依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙发送最新的自身局部拓扑信息给第m-2跳节点。局部拓扑信息包括发送节点类型(定义第一跳节点，第二跳节点...第m跳节点)、发送节点ID以及该发送节点最新的局部拓扑信息。LIST2为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，n为网络中总共节点数。
5、依次进行，直到第一跳节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙发送自身局部拓扑信息给主控节点，这时主控节点获得了全网拓扑信息。
6、主控节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙将全网拓扑信息发送给第一跳节点，第一跳节点存储再将其转发给第二跳节点，依次进行，直到第m跳节点接收到来自第m-1跳节点转发的全网拓扑信息并存储在本地。网络初始化过程完成。
初始化时延：
对于网络初始化阶段，时延是考察方法性能的一个方面。
一、初始化的目标是全网每一个节点获得全网最新的拓扑信息。
1、第一部分，主控节点发送hello分组后，接收到该分组的第一跳节点发送hello分组，此过程需要一帧。
2、第二部分，第二跳节点发送hello分组，需要一帧，依次进行，到第m跳节点发送hello分组，该过程共使用m-1帧。
3、第三部分，第m-1跳节点将本地局部拓扑信息一级一级存储转发给主控节点，每经过一级需要一帧，共经过m-1级，需要m-1帧。
4、第四部分，主控节点将收到的全网拓扑信息发送给第一跳节点，第一跳节点转发给第二跳节点，共使用一帧。
5、第五部分，第二跳节点将全网拓扑信息转发给第三跳节点，依次转发给第m跳节点，共需要m-2帧。
总共需要3m-2帧。
初始化结果：网络中每个节点都获得一致的全网拓扑信息。
二、初始化的目标是中心节点获得全网拓扑信息，普通节点获得邻节点信息。
前三部分时延同上，没有第四、五部分。
总共需要2m-1帧。
初始化结果：中心节点获得全网拓扑信息，普通节点获得邻节点信息。
总结：若初始化的目标是中心节点获得全网拓扑信息，普通节点获得邻节点信息，则初始化时延为2m-1帧；若初始化的目标是全网每一个节点获得全网最新的拓扑信息则初始化时延为3m-2帧。
下面以六节点两跳网络为例，给出相应初始化方案如图1所示。
采用MATLAB对本发明的性能进行仿真，将六个节点随机布放在100m×100m的区域中，其中一个为主控节点，节点分布图如图3所示，上述网络节点在布放于水中时已进行时钟同步，节点ID已知，并按照自身ID顺序分配固定时隙如图5所示，六节点网络每一帧有6个时隙，取一个时隙为2s。
发射声源级SL＝101dB，载波频率噪声级为70dB，接收信噪比SNR为4dB，载波频率为10KHz，码元宽度为24ms，有效通信距离为50m；由主控节点发起初始化过程。
具体步骤如下：
1、主控节点N依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送自身hello分组[Type1：H，Type2:N,ID:1,LIST1]，通知网络中节点初始化开始。时帧格式如图5所示，hello分组中包括发送节点类型(主控节点N，第一跳节点，第二跳节点)、发送节点ID以及该发送节点的邻居信息。[Type1：H，Type2:N,ID:1,LIST1]。LIST1为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，n为网络中总共节点数。
2、第一跳节点A、B、C接收到该分组后将本地获得的最新邻居信息包含在hello分组中，节点A、B、C依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送自身hello分组。
3、第二跳节点D、E接收到来自节点A、C的hello分组后将本地获得的最新邻居信息包含在hello分组中，节点D、E依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送自身hello分组。第一跳节点将节点D、E中的信息保存到本地，更新发现的拓扑信息，形成局部拓扑信息。
4、第一跳节点A、B、C依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙向网络中发送局部拓扑信息。
5、主控节点收到后，获得全网的拓扑信息，将该信息广播给全网，网络初始化完成。
初始化时延：
1.主控节点发hello分组给第一跳节点，第一跳节点收到后发送hello分组，需要一帧。
2.第二跳节点发送hello分组给第一跳节点，需要一帧。
3.第一跳节点将收到的局部拓扑信息发送给主控节点，需要一帧。
4.主控节点将收到的全网拓扑信息发送给第一跳节点，第一跳节点再将其转发给第二跳节点，需要一帧。
若初始化的目标是中心节点获得全网拓扑信息，普通节点获得邻节点信息，则初始化时延为3帧；若初始化的目标是全网每一个节点获得全网最新的拓扑信息则初始化时延为4帧。
经过初始化后，如图4所示，网络中每个节点都知道了全网拓扑信息，网络链路连通性一目了然。本发明能够准确地得到完整的全网拓扑信息。

Claims (1)

1.一种水下无线多跳网络初始化方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，包含n个节点的网络中，主控节点N广播hello分组，通知网络中所有节点开始初始化；所述的hello分组中包括数据包类型Type1、发送节点类型Type2、发送节点ID以及该发送节点的邻居信息表LIST1；
所述的数据包类型Type1用H表示hello分组，用T表示局部拓扑信息；所述的发送节点类型Type2用N表示主控节点，用1、2、…、m表示第一跳节点、第二跳节点、…、第m跳节点；所述的发送节点ID用1、2、…、n表示第1、2、…、n个节点为发送节点；所述的邻居信息表LIST1为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，矩阵元素为1表示对应节点为发送节点的邻居节点，矩阵元素为0表示对应节点不是发送节点的邻居节点；
步骤2，第一跳节点收到来自主控节点的hello分组后，将本地获得的最新邻居信息添加到hello分组中，依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙向网络中发送自身hello分组；
步骤3，下一跳节点接收到hello分组后更新本地邻居信息表，将本地获得的最新邻居信息添加到hello分组中，依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙向网络中发送自身hello分组，重复本步骤，直到第m跳节点发送自身hello分组完毕；
步骤4，第m-1跳节点收到第m跳节点发送的hello分组后，更新本地拓扑信息并依据其节点ID在一个时帧中按照设定的时隙发送最新的自身局部拓扑信息给第m-2跳节点；所述的局部拓扑信息包括数据包类型Type1、发送节点类型Type2、发送节点ID以及该发送节点的局部拓扑信息LIST2；所述的局部拓扑信息LIST2为表征节点邻居节点信息的n×n矩阵，矩阵元素为1表示对应节点为发送节点的拓扑连接节点，矩阵元素为0表示对应节点不是发送节点的拓扑连接节点；
步骤5，重复步骤4，直到第一跳节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙发送自身局部拓扑信息给主控节点，这时主控节点获得了全网拓扑信息；
步骤6，主控节点依据其节点ID在一个时帧中选择对应的时隙将全网拓扑信息发送给第一跳节点，第一跳节点存储再将其转发给第二跳节点，依次进行，直到第m跳节点接收到来自第m-1跳节点转发的全网拓扑信息并存储在本地。
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