CN108668217B - 海上遇险救生自组网手持终端 - Google Patents

海上遇险救生自组网手持终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上遇险救生自组网手持终端，包括低频无线通信模块和支持GPS定位功能的卫星通信模块，在人员遇险落水后，低频无线通信模块被触发而自动开启，并与其他落水人员的手持终端共同建立起海上遇险救生自组网；所述的自组网包括多个子网，在各个子网中采用分级式的网络结构，并在各子网中将子网划分为多个簇，每个簇由一个簇头节点和多个成员节点组成；在同一子网内，权重最大的簇头节点打开其卫星通信模块，与海上搜救中心进行通信，并负责子网内其他簇头节点与海上搜救中心之间的信息转发。本发明可适应海上移动节点的动态拓扑变化，融合卫星通信的优势，给遇险人员与搜救中心之间提供通信支持，并最大限度降低卫星通信费用。

Description

海上遇险救生自组网手持终端
技术领域
本发明涉及多模无线通信技术领域，具体涉及一种海上遇险救生自组网手持终端。
背景技术
中国是海洋大国，近年来各种涉海、用海活动数量增多、规模增大，海上遇险事故随之增多。海上搜救工作对保障人民生命财产安全具有重要意义。海上搜救工作难度大，主要是因为搜救范围广，自然环境复杂，并且遇险船只的通信网络设施极有可能遭到破坏，给遇险人员的精确定位和险情评估带来很大困难。
对于大多数涉海人员来说，当前海上通信的方式主要有三种：手机、无线电台和卫星通信。
电信运营商均拥有自己的陆地移动蜂窝网，提供手机通信服务。但是，由于陆地移动蜂窝网覆盖范围的限制，手机通信只能在距离海岸较近的海域使用，较远的海域则是移动蜂窝网覆盖的盲区。
无线电台是船上普遍配备和广泛使用的无线通信设备，能为船舶提供安全信息、航行警告、天气预报、水文等信息以及海上搜救信息通信服务等。但是，海上遇险事故发生时，船舶上预先配备的通信设备往往在恶劣环境下遭到破坏，且一旦遇险人员脱离船只，散布于海上，该设备无法为分散的落水人员与海上搜救中心之间提供可靠的通信支持，给搜救工作带来极大困难，从而失去最佳救援时间。
卫星通信是以其覆盖范围广、不受地理条件影响等优势与陆上通信系统形成互补，在我国的水利防汛、渔政以及地震救灾等方面已经得到广泛运用，但是其相对高昂的通信费用限制了卫星通信在个人通信市场的使用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种海上遇险救生自组网手持终端，将移动自组织网络与卫星通信相结合，为脱离船舶的众多海上遇险人员与海上搜救中心之间提供通信服务，解决了移动自组网中脱网节点的通信问题和卫星通信费用高昂的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种海上遇险救生自组网手持终端，包括低频无线通信模块和支持GPS定位功能的卫星通信模块，在携带有所述手持终端的人员遇险落水后，低频无线通信模块被触发而自动开启，并与其他落水人员的手持终端共同建立起海上遇险救生自组网；
所述的自组网包括多个子网，在各个子网中采用分级式的网络结构，并在各子网中将子网划分为多个簇，每个簇由一个簇头节点和多个成员节点组成；在同一子网内，权重最大的簇头节点打开其卫星通信模块，与海上搜救中心进行通信，并负责子网内其他簇头节点与海上搜救中心之间的信息转发。
进一步地，在建立海上遇险救生自组网的过程中，脱网的孤立节点自动打开其卫星通信模块，向海上搜救中心发送其地理位置信息。
进一步地，所述的各个子网中，采用基于节点度和剩余能量的组合加权分簇方法将子网划分为多个簇；所述的加权分簇方法包括以下步骤：
S1.子网内的每个节点，包括簇头节点和成员节点在各自的通信半径内周期性地广播本节点的信息单元，并收集邻节点的信息单元；所述的信息单元包括以下信息：
ID w Flag My_CH N<sub>nbr</sub>
其中，ID表示节点的识别码，w表示节点的组合权重，Flag表示节点的当前状态，My_CH表示簇头节点集合，Nnbr表示邻节点集合；所述的w的计算公式为：
wi＝αDi+βEi
上式中，Di表示节点i的度，Ei表示节点i的剩余能量，α和β表示权重系数；
S2.更新本节点的组合权重w和邻节点集合Nnbr；
S3.如果本节点中的邻节点集合Nnbr是空集，说明本节点脱网，则本节点宣称自己为簇头节点，打开本节点的卫星通信模块与海上搜救中心通信；
S4.如果本节点中的邻节点集合Nnbr不为空，则比较本节点与邻节点的组合权重w，将权重最大的节点选举为簇头节点，簇头节点的邻节点作为该簇头节点的成员节点。
进一步地，所述的各个子网采用加权分簇方法进行分簇后，即进入簇维护阶段，簇维护包括簇内维护和簇间维护，其中，簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，簇间维护包括簇头节点之间的拓扑信息交互。
进一步地，所述的簇维护阶段中，用到的控制消息有：
CM消息：簇头节点向其通信半径内节点广播的簇内维护消息，作用是请求通信半径内节点的信息单元；
CMR消息：节点在收到CM消息后回复给簇头节点CMR消息，该消息包含了本节点的信息单元；
ICM消息：簇头节点在子网内广播的簇间维护消息，该消息包含了簇头节点的拓扑结构信息，用于簇头节点之间的拓扑信息交互。
进一步地，所述的簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，包括：
S1.簇头节点在簇内周期地广播CM消息，并收集各类控制消息；
S2.如果簇头节点u收到某个成员节点v发送的CMR消息，则判断该成员节点v是否属于本簇头节点u的邻节点集合Nnbr；
S3.如果成员节点v属于簇头u的Nnbr，则Nnbr保持不变；
S4.如果成员节点v不属于簇头u的Nnbr，则将成员节点v加入簇头节点u的Nnbr中；
S5.如果簇头节点u收到了另一个簇头节点h广播的CM消息，则簇头节点u判断其Nnbr中节点状态；
S6.如果簇头节点u的Nnbr中均为网关节点，则簇头节点u放弃簇头状态，变成普通节点，并将另一簇头节点h加入到u的My_CH集合中；
S7.如果簇头节点u的Nnbr中有至少一个网关节点，则簇头节点u仍保持其簇头状态；
所述的网关节点为同处于相邻的两个簇内，负责这两个簇的簇头节点之间的信息转发的成员节点。
进一步地，所述的簇内维护之后，每个子网通过以下步骤与海上搜救中心进行通信：
S1.每个簇头节点在子网内周期地广播ICM消息，并收集子网内其他簇头节点广播的ICM消息，从而达到维护簇间拓扑信息的目的；
S2.如果在一个周期内，簇头节点没有收到任何簇头节点广播的ICM消息，说明该簇头节点脱网，则该簇头节点打开卫星通信模块，单独与海上搜救中心通信；
S3.如果簇头节点收到其他簇头节点发送的ICM消息，则比较本簇头其他簇头的组合权重w；
S4.权重最大的簇头节点打开卫星通信模块，与海上搜救中心通信。
进一步地，所述的簇内维护过程还包括：
S1.成员节点在簇维护期间按周期收集消息；
S2.如果成员节点在周期内没有收到任何簇头节点发送的CM消息，说明该节点脱网，则该节点打开卫星通信模块退出簇内维护过程；
S3.如果成员节点收到簇头节点发送的CM消息，则更新成员节点的簇头节点集合My_CH，并回复该簇头节点CMR消息；
S4.如果成员节点收到其他成员节点发送的CMR消息，则更新本节点的邻节点集合Nnbr；
S5.成员节点判断其簇头节点集合My_CH中节点个数；
S6.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数等于1，则该节点仍为成员节点；
S7.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数大于1，则将该节点的状态变为网关节点，负责跨簇通信时数据分组的簇间转发工作。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
1.将移动无线自组织网络与卫星通信相结合，为脱离船舶的众多海上遇险人员与海上搜救中心之间提供通信服务。
2.海上遇险救生自组网采用分级式网络结构，簇头节点融合了簇内成员节点的数据之后再集中进行转发，能有效地减少数据冗余，减少网络中控制信息的开销，便于网络管理，提高了网络的可扩展性。
3.成员节点的功能较为简单，无须维护复杂的拓扑信息，大大减少了网络中控制信息的开销，可以对海上遇险救生自组网的拓扑变化作出快速反应。
4.每个子网中，组合权重最大的簇头节点打开卫星通信模块，成员节点和多数分簇头节点在大部分时间内均关闭卫星通信模块，降低了卫星通信费用，又融合了卫星通信覆盖范围广、不受地理条件影响等优势，弥补了卫星通信费用高昂的不足。该分簇方法考虑了子网中节点的加入和退出、网络的分裂与合并，以及脱网孤立节点的情况，脱网的孤立节点自动打开卫星通信模块，与海上搜救中心通信。
附图说明
图1为本发明的通信模块图；
图2是海上遇险救生自组网的分簇结构图；
图3是簇头选举方法流程图；
图4是簇头节点的簇维护方法流程图；
图5是成员节点的簇维护方法流程图；
具体实施方式
本发明公开了一种海上遇险救生自组网手持终端，该终端包括低频无线通信模块和支持GPS定位功能的卫星通信模块，在人员遇险落水后，低频无线通信模块被触发而自动开启，并与其他落水人员的手持终端共同快速建立起海上遇险救生自组网；所述的低频无线通信模块上设置有水敏开关，当终端落水后，水敏开关遇水后开启低频无线通信模块进行无线广播通信，进行邻节点的发现。低频无线通信模块采用按需距离矢量路由协议(AODV)或动态源路由协议(DSR)进行组网，使用该终端的低频无线模块单跳距离可达到5-10公里。例如，中心频率433MHz的低频无线通信模块，较平稳海面区域直线传输距离最高可达8000米。
由于海面环境导致落水人员的非自主移动且该终端无线通信距离有限，因此所述的自组网被分割成多个子网，在各个子网中采用分级式的网络结构，并在各子网中将子网划分为多个簇，每个簇由一个簇头节点和多个成员节点组成，这里的成员节点包括普通节点和网关节点，其中网关节点同时位于两个簇内，负责跨簇通信时数据分组的簇间转发工作；在同一子网内，权重最大的簇头节点打开其卫星通信模块，与海上搜救中心进行通信，并负责子网内其他簇头节点与海上搜救中心之间的信息转发。为了便于后续的说明过程，本方案中，一个终端即为一个节点。
分簇过程考虑了节点脱网情况，脱网的孤立节点自动打开卫星通信模块，向海上搜救中心建立通信，并发送地理位置信息。分级式网络结构能减少网络中控制信息的开销，方便网络管理，提高了网络的可扩展性。
分簇方法是按系统要求将众多网络节点组织成可管理的簇，是构造分级网络结构的关键技术，它的好坏直接影响着无线自组网的各种性能指标。
本发明的自组网中每个节点均有全网惟一的识别码ID，每个节点的信息单元均包含以下信息：
ID w Flag My_CH N<sub>nbr</sub>
上述变量与集合定义如表1所示。
表1节点信息单元中变量与集合定义表
Figure GDA0001466573470000061
表1中节点的组合权重w是节点度和节点剩余能量的组合权重，计算公式为：
wi＝αDi+βEi
式中，Di表示节点i的度，是节点i通信半径内可与节点i相互通信的节点个数，即邻节点的个数；Ei表示节点i的剩余能量，α和β分别表示权重系数，可根据业务需求的不同进行选择。
在本方案中，采用基于节点度和剩余能量的组合加权分簇方法将子网划分为多个簇；所述的加权分簇方法包括以下步骤：
S1.子网内的每个节点，包括簇头节点和成员节点在各自的通信半径内周期性地广播本节点的信息单元，并收集邻节点的信息单元；
S2.更新本节点的组合权重w和邻节点集合Nnbr；
S3.如果本节点中的邻节点集合Nnbr是空集，说明本节点脱网，则本节点宣称自己为簇头节点，打开本节点的卫星通信模块与海上搜救中心通信；
S4.如果本节点中的邻节点集合Nnbr不为空，则比较本节点与邻节点的组合权重w，将权重最大的节点选举为簇头节点，簇头节点的邻节点作为该簇头节点的成员节点；当权重最大的节点有两个或两个以上时，则选取ID最小的节点作为簇头节点。
各个子网采用加权分簇方法进行分簇后，即进入簇维护阶段，簇维护包括簇内维护和簇间维护，其中，簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，簇间维护包括簇头节点之间的拓扑信息交互。簇维护过程中，簇头节点既要负责簇内维护，又要负责簇间维护；成员节点仅需要进行簇内维护。
本发明在簇维护过程中定义了三种控制消息，如表2所示。
表2簇维护中的控制消息
Figure GDA0001466573470000071
簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，包括：
S1.簇头节点在簇内周期地广播CM消息，并收集各类控制消息；
S2.如果簇头节点u收到某个成员节点v发送的CMR消息，则判断该成员节点v是否属于本簇头节点u的邻节点集合Nnbr；
S3.如果成员节点v属于簇头u的Nnbr，则Nnbr保持不变；
S4.如果成员节点v不属于簇头u的Nnbr，则将成员节点v加入簇头节点u的Nnbr中；
S5.如果簇头节点u收到了另一个簇头节点h广播的CM消息，则簇头节点u判断其Nnbr中节点状态；
S6.如果簇头节点u的Nnbr中均为网关节点，则簇头节点u放弃簇头状态，变成普通节点，并将另一簇头节点h加入到u的My_CH集合中，此时簇头节点u变成簇头节点h的一个成员节点，如图4所示；
S7.如果簇头节点u的Nnbr中有至少一个网关节点，则簇头节点u仍保持其簇头状态；
所述的网关节点为同处于相邻的两个簇内，负责这两个簇的簇头节点之间的信息转发的成员节点。
上述的步骤发生簇的融合过程，即两个或多个簇头节点在移动过程中互相进入了彼此的簇半径内。当且仅当一个簇头节点的簇内成员节点全部是网关节点时，该簇头节点才放弃簇头状态，完成簇的融和，这样既能减少网络中簇的数量，又能避免簇头节点消失使得其簇内成员节点脱网的情况。
簇内维护之后，每个子网通过以下步骤与海上搜救中心进行通信，如图4所示：
S1.每个簇头节点在子网内周期地广播ICM消息，并收集子网内其他簇头节点广播的ICM消息，从而达到维护簇间拓扑信息的目的；
S2.如果在一个周期内，簇头节点没有收到任何簇头节点广播的ICM消息，说明该簇头节点脱网，则该簇头节点打开卫星通信模块，单独与海上搜救中心通信；
S3.如果簇头节点收到其他簇头节点发送的ICM消息，则比较本簇头其他簇头的组合权重w；
S4.权重最大的簇头节点打开卫星通信模块，与海上搜救中心通信。如最大权重的簇头节点有两个或两个以上，则选择ID最小的簇头节点打开卫星通信模块进行通信。
本方案中，终端通过低频无线通信模块形成自组网，所以ICM消息和CM消息是通过同一无线通信接口发出的，二者广播半径相同。其中，CM消息的生存时间为一跳，即簇头节点发出的CM消息仅在其通信半径内的节点可以收到，并且不做转发。ICM消息的生存时间是多跳，即簇头节点通信半径内的节点收到该簇头节点发出的ICM消息后，会自动向其通信半径内的邻节点转发该消息，由于普通节点不与其他簇头通信，因此ICM消息从一个簇传播到另一个簇是由网关节点完成。簇外的任何节点在收到ICM消息后，先判断是否超过其生存时间，若没有超过则在自己的通信半径内转发，否则放弃转发。
本方案中，分簇过程和簇内、簇间维护过程都是周期性地执行的，在一个周期内，进行一次簇头选举，一次簇维护(包括簇内维护与簇间维护)，簇维护的时间是簇头选举时间的6～8倍，具体时间分配可根据具体业务场景和分簇算法进行调整，在簇维护结束时，子网中权重最大的簇头节点向卫星发送信息；具体地，一个周期可以为1分钟。
子网的结构在不断变化，脱网节点在本周期内按需、随时通过卫星通信与海上搜救中心通信；在下个周期，所有节点会根据网络结构变化重新执行分簇方法，即重新选择簇头，并进行簇维护，如果该脱网节点进入到其他的子网中，且在分簇过程中没有被选为簇头节点，则关闭卫星通信。
上述方法中每个子网内有且仅有一个簇头节点打开卫星通信模块，同一子网内其他簇头节点均通过打开卫星通信模块的簇头节点与海上搜救中心进行通信，大大降低了卫星通信的费用。
簇维护过程中，成员节点仅需要进行簇内维护，其簇内维护方法如图5所示，包括以下几个步骤:
S1.成员节点在簇维护期间按周期收集消息；
S2.如果成员节点在周期内没有收到任何簇头节点发送的CM消息，说明该节点脱网，则该节点打开卫星通信模块退出簇内维护过程；
S3.如果成员节点收到簇头节点发送的CM消息，则更新成员节点的簇头节点集合My_CH，并回复该簇头节点CMR消息；
S4.如果成员节点收到其他成员节点发送的CMR消息，则更新本节点的邻节点集合Nnbr；
S5.成员节点判断其簇头节点集合My_CH中节点个数；
S6.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数等于1，则该节点仍为成员节点；
S7.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数大于1，则将该节点的状态变为网关节点，负责跨簇通信时数据分组的簇间转发工作。在成员节点的簇内维护方法中，成员节点的功能较为简单，无须维护复杂的拓扑信息，减少了网络中控制信息的开销。
通过簇维护过程，簇内的节点始终可与打开了卫星通信模块的簇头节点进行通信，所以各个终端均在可控范围内；而自组网内分布式节点定位技术已经成熟，例如各个邻节点之间采用计算信号强度的方式来进行位置的确定，可通过该方式通过打开了卫星通信模块的簇头节点向海上搜救中心进行位置信息的传送。

Claims (6)

1.一种海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，包括低频无线通信模块和支持GPS定位功能的卫星通信模块，在人员遇险落水后，低频无线通信模块被触发而自动开启，并与其他落水人员的手持终端共同建立起海上遇险救生自组网；
所述的自组网包括多个子网，在各个子网中采用分级式的网络结构，并在各子网中将子网划分为多个簇，每个簇由一个簇头节点和多个成员节点组成；在同一子网内，权重最大的簇头节点打开其卫星通信模块，与海上搜救中心进行通信，并负责子网内其他簇头节点与海上搜救中心之间的信息转发；
在建立海上遇险救生自组网的过程中，脱网的孤立节点自动打开其卫星通信模块，向海上搜救中心发送其地理位置信息；
所述的各个子网中，采用基于节点度和剩余能量的组合加权分簇方法将子网划分为多个簇；所述的加权分簇方法包括以下步骤：
S1.子网内的每个节点，包括簇头节点和成员节点在各自的通信半径内周期性地广播本节点的信息单元，并收集邻节点的信息单元；所述的信息单元包括以下信息：
ID w Flag My_CH N<sub>nbr</sub>
其中，ID表示节点的识别码，w表示节点的组合权重，Flag表示节点的当前状态，My_CH表示簇头节点集合，Nnbr表示邻节点集合；所述的w的计算公式为：
wi＝αDi+βEi
上式中，Di表示节点i的度，Ei表示节点i的剩余能量，α和β表示权重系数；
S2.更新本节点的组合权重w和邻节点集合Nnbr；
S3.如果本节点中的邻节点集合Nnbr是空集，说明本节点脱网，则本节点宣称自己为簇头节点，打开本节点的卫星通信模块与海上搜救中心通信；
S4.如果本节点中的邻节点集合Nnbr不为空，则比较本节点与邻节点的组合权重w，将权重最大的节点选举为簇头节点，簇头节点的邻节点作为该簇头节点的成员节点。
2.如权利要求1所述的海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，所述的各个子网采用加权分簇方法进行分簇后，即进入簇维护阶段，簇维护包括簇内维护和簇间维护，其中，簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，簇间维护包括簇头节点之间的拓扑信息交互。
3.如权利要求2所述的海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，所述的簇维护阶段中，用到的控制消息有：
CM消息：簇头节点向其通信半径内节点广播的簇内维护消息，作用是请求通信半径内节点的信息单元；
CMR消息：节点在收到CM消息后回复给簇头节点CMR消息，该消息包含了本节点的信息单元；
ICM消息：簇头节点在子网内广播的簇间维护消息，该消息包含了簇头节点的拓扑结构信息，用于簇头节点之间的拓扑信息交互。
4.如权利要求2所述的海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，所述的簇内维护包括簇头节点对簇内成员节点的拓扑动态维护、更新以及簇的融合过程，包括：
S1.簇头节点在簇内周期地广播CM消息，并收集各类控制消息；
S2.如果簇头节点u收到某个成员节点v发送的CMR消息，则判断该成员节点v是否属于本簇头节点u的邻节点集合Nnbr；
S3.如果成员节点v属于簇头u的Nnbr，则Nnbr保持不变；
S4.如果成员节点v不属于簇头u的Nnbr，则将成员节点v加入簇头节点u的Nnbr中；
S5.如果簇头节点u收到了另一个簇头节点h广播的CM消息，则簇头节点u判断其Nnbr中节点状态；
S6.如果簇头节点u的Nnbr中均为网关节点，则簇头节点u放弃簇头状态，变成普通节点，并将另一簇头节点h加入到u的My_CH集合中；
S7.如果簇头节点u的Nnbr中有至少一个网关节点，则簇头节点u仍保持其簇头状态；
所述的网关节点为同处于相邻的两个簇内，负责这两个簇的簇头节点之间的信息转发的成员节点。
5.如权利要求4所述的海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，所述的簇内维护之后，每个子网通过以下步骤与海上搜救中心进行通信：
S1.每个簇头节点在子网内周期地广播ICM消息，并收集子网内其他簇头节点广播的ICM消息，从而达到维护簇间拓扑信息的目的；
S2.如果在一个周期内，簇头节点没有收到任何簇头节点广播的ICM消息，说明该簇头节点脱网，则该簇头节点打开卫星通信模块，单独与海上搜救中心通信；
S3.如果簇头节点收到其他簇头节点发送的ICM消息，则比较本簇头其他簇头的组合权重w；
S4.权重最大的簇头节点打开卫星通信模块，与海上搜救中心通信。
6.如权利要求4所述的海上遇险救生自组网手持终端，其特征在于，所述的簇内维护过程还包括：
S1.成员节点在簇维护期间按周期收集消息；
S2.如果成员节点在周期内没有收到任何簇头节点发送的CM消息，说明该节点脱网，则该节点打开卫星通信模块退出簇内维护过程；
S3.如果成员节点收到簇头节点发送的CM消息，则更新成员节点的簇头节点集合My_CH，并回复该簇头节点CMR消息；
S4.如果成员节点收到其他成员节点发送的CMR消息，则更新本节点的邻节点集合Nnbr；
S5.成员节点判断其簇头节点集合My_CH中节点个数；
S6.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数等于1，则该节点仍为成员节点；
S7.如果其簇头节点集合My_CH中节点个数大于1，则将该节点的状态变为网关节点，负责跨簇通信时数据分组的簇间转发工作。
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