CN109769000A - 基于olsr协议的网络节点定位信息的传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于OLSR协议的网络节点定位信息的传输方法，基于OLSR的定位信息扩散协议,提出了高效的、低网络开销的定位信息扩散的协议:根据传输特点，对其内容进行合理修改，并添加了网络中GPS配置信息和各节点间的距离信息，基于此，各节点能够收集、转发网络定位信息，将其扩散到整个网络，利用这些信息就可以实现网络定位；此方法有三点好处：一是继承了OLSR协议的优点，可以实现定位信息高效扩散；二是定位信息是依托于OLSR数据包扩散出去的，仅仅是在原有数据包的保留字段中增加了一些数据，造成的网络额外开销很小；三是不改变原有协议的运作机理，操作比较简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络节点定位信息的传输方法(协议)，具体是一种基于OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)路由协议的网络节点定位信息的传输方法(协议)，属于网络定位信息传播技术领域。
背景技术
网络定位是无线传感网络、无人机网络、无线自组织网络中的关键技术。网络定位算法五花八门，有基于接收信号强度(Received Signal Strength, RSS)的，有基于到达时间(Time of Arrival,TOA)的，还有基于到达角(Angel of Arrival,AOA)的，等等。显然，网络定位离不开各种各样的定位信息，所以实现网络定位信息在网络中的收集与扩散是完成网络定位的前提。
最简单直接的方法是：将这些定位信息独立封装成数据包，并从网络中划分出一部分通信资源专门用于定位信息数据包的网络传播。而这明显存在两个问题：1)封装成独立的数据包并专门分配网络资源进行传输给整个网络带来的负担比较大；2)仅仅着眼于定位信息收集与扩散目标而忽略其他，必然会造成网络资源的进一步浪费，信息扩散效率也未必有多高。反之，成本较高，且实现复杂度也会陡增。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于OLSR协议的网络节点定位信息的传输方法，该传输方法高效且网络开销低。
为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是：
基于OLSR协议的网络节点定位信息的传输方法，所述方法以OLSR的定位信息扩散方法(即现有的OLSR协议)为基础。
对OLSR路由协议的机理作简要说明，详细讲解见“Clausen,Thomas, andPhilippe Jacquet."Optimized link state routing protocol(OLSR)." No.RFC3626.2003.”。OLSR协议有两个非常重要的数据包，即Hello包和TC包。网络中各节点周期性发送Hello探测包，其他节点收到之后，便记录源节点到自身的单向链路通畅，并在下一次发送Hello包时，将所记录的链路信息一起发送出去。几个轮回之后，网络中各节点就可以确定自己的一跳邻居(双向链路通畅)和二跳邻居节点。基于这些信息，各节点可推举自己的 MPR(Multipoint Relay)节点集合。所谓MPR节点集合是从节点的一跳邻居节点中选取诞生，遵循两个原则：1)节点通过自身MPR节点中继，可达所有二跳邻居节点；2)MPR集合中节点数目尽可能少。同样，各节点也会按一定周期发送 TC数据包，其中包含各节点所有MPRSelector节点(选择自身为MPR的节点) 指向自身的链路。网络中节点收到Hello包提取信息后直接丢弃不转发，对于 TC包只有各节点的MPR节点会转发。通过TC包的转发，网络中各节点就能获悉整个网络的拓扑结构。
“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximum likelihood network localizationusing range estimation and GPS measurements."Wireless Communications andSignal Processing(WCSP),2017 9th International Conference on.IEEE,2017.”中提出了一个基于TOA测距的高精度定位算法，该算法的前提是获得各相邻节点间对称链路的测距信息。而OLSR协议运作过程中，网络中各节点侦听交换本地网络结构，最终都能获悉整个网络的拓扑结构。根据上述流程，可以用于定位信息的扩散，这是选择基于OLSR进行信息扩散的重要原因。本发明方法便是在OLSR协议基础上修改得到。具体内容如下：
为了实现“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximum likelihood networklocalization using range estimation and GPS measurements."WirelessCommunications and Signal Processing(WCSP),2017 9th International Conferenceon.IEEE,2017.”中网络定位算法，除了网络拓扑结构，还得测量网络节点间的距离信息。
第一步，在OLSR协议Hello包(现有的)的基础上，构建新的Hello 包：
1.1测距通过Hello包收发时间差实现，将Hello包第一个Reserved 字段修改为Send Time1，表示新的Hello包发送时间Ts；此处需要注意，为了实现高精度定位，测距的精度要求尽可能高。若发送接收的时间单位是10-12秒级别，信号以光速3×10^8米/秒传播，则测距的精度是3×10-4米级别。所以要达到这个测距精度，仅仅依靠Send Time1字段远不够存储，需要：
1.2借用Hello包的Neighbour Adress字段，将其修改为Send Time2、……(表示多个)，并修改Hello包的第二个Reserved字段为Flag， Flag用于标识借用前多少个Neighbour Adress字段；
1.3当有节点B接收到某节点A发送的Hello包，记录接收时间Tr，则节点A到B的测距为：
dAB＝C(Tr-Ts)，(C为信号传播速度)
1.4节点B记录上述获得的测距信息，同理节点A得到并记录节点B 到A的测距。考虑到测距噪声，这对测距并不相等。
第二步，在OLSR协议TC包(现有的)的基础上，构建新的TC包：
2.1在OLSR协议中，TC包仅记录了源节点的MPR Selector到源节点的单向链路，这对于计算网络路由是足够的。网络中存在某些节点可能永远不会被其他节点选为MPR，这就会导致某些链路信息缺失。为了获取并扩散网络节点间所有成对测距信息，则需要将MPRSelector Address改成Neighbor Address，并增加相应的Neighbor Address到源节点的测距信息，而此测距信息在第一步中就已经记录到本地了。这一步会导致OLSR协议后面计算路由时存在一些冗余信息，但这是实现网络定位所必要的信息，且并不妨碍路由计算结果，反而可以省去每次计算路由时先在一跳邻居集合中查找可用路由，只需在拓扑集合中就能实现整个路由计算。
2.2除此之外，网络定位还需要知道网络中哪些节点是锚点(即装备 GPS的节点)，以及这些锚点的GPS定位信息，并将这些信息扩散出去。因此，还需在TC包中添加GPS测量信息，将其中保留的Reserved字段更改为Flag， Flag＝0表示源节点不是锚点，Flag≠0表示源节点是锚点，Flag＝2表示网络处于2维空间，此字段之后的连续两个字段分别表示源节点的X轴和Y轴坐标的 GPS测量，Flag＝3表示网络处于3维空间，此字段之后的连续三个字段分别表示源节点的X轴、Y轴和Z轴坐标的GPS测量；
2.3节点在接收到TC包之后，除了执行OLSR标准操作(即原OLSR协议的操作流程)之外，还要在本地记录源节点到其邻居节点的测距信息，以及锚点的GPS测量信息；这些信息也会遵循OLSR自有转发策略(即原OLSR协议的转发策略)，随着TC包自动扩散到整个网络。
本发明提出了基于OLSR协议的定位信息扩散协议，针对OLSR数据包的传输特点，对其内容进行合理修改，并添加了网络中GPS配置信息和各节点间的距离信息,以OLSR数据包作为定位信息传播的载体，基于此，各节点能够收集、转发网络定位信息，将其扩散到整个网络，利用这些信息就可以实现网络定位,仅需较少的额外网络资源开销就可以实现定位信息的扩散，且规避了复杂的信息中继传播协议设计，降低了实现复杂度。
本发明方法的有益效果：
(1)自然继承了OLSR协议的优点，可以实现定位信息高效扩散。
(2)定位信息是依托于OLSR数据包扩散出去的，仅仅是更改了原有数据包的保留字段，或者在原包结构中增加了一点数据，造成的网络额外开销很小。
(3)不改变OLSR协议的原有运作机理，操作比较简单。
附图说明
图1为原OLSR协议的Hello分组格式图。
图2为修改后的Hello分组格式图。
图3为原OLSR协议的TC分组格式图。
图4为修改后的TC分组格式图。
图5为测距误差的累积分布函数图。
图6为SCP算法网络定位误差的累积分布函数图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
基于OLSR协议的网络节点定位信息的传输方法，基于OLSR的定位信息扩散协议，是在OLSR协议基础上修改得到。具体内容如下：
第一步，修改OLSR的Hello包。图1是原Hello包结构，图2是修改后的Hello包结构(其中，数字表示字节标号，下同)。
将Hello包第一个Reserved字段修改为Send Time1，表示新的Hello 包发送时间Ts；
借用Hello包的Neighbour Adress字段，将其修改为Send Time2、……，并修改Hello包的第二个Reserved字段为Flag，Flag标识借用前多少个Neighbour Adress字段；
当有节点B接收到某节点A发送的Hello包，记录接收时间Tr，则节点A到B的测距为：
dAB＝C(Tr-Ts)，(C为信号传播速度)
节点B记录上述获得的测距信息，同理节点A得到并记录节点B到A 的测距；
第二步，修改OLSR的TC包。图3是原TC包结构，图4是修改之后的TC包结构(其中，数字表示字节标号)。
将MPR Selector Address改成Neighbor Address，并增加相应的 NeighborAddress到源节点的测距信息；
在TC包中添加GPS测量信息，将其中保留的Reserved字段更改为 Flag，Flag＝0表示源节点不是锚点，Flag≠0表示源节点是锚点，Flag＝2表示网络处于2维空间，此字段之后的连续两个字段分别表示源节点的X轴和Y轴坐标的GPS测量，Flag＝3表示网络处于3维空间，此字段之后的连续三个字段分别表示源节点的X轴、Y轴和Z轴坐标的GPS测量；
节点在接收到TC包之后，除了执行OLSR标准操作之外，同时在本地记录源节点到其邻居节点的测距信息，以及锚点的GPS测量信息；上述信息也会遵循OLSR自有转发策略，随着TC包自动扩散到整个网络。
应用Matlab模拟了一个基于OLSR的网络信息扩散协议机制。作为其中的一次实现，网络中设置了20个节点，各节点随机分布在 1000米×1000米×1000米的区域，即网络两点间的最远距离为若节点间的距离小于1000米，则认为他们为一跳相邻节点，所谓测距仅能测量这些节点间的距离。网络中设置有4个GPS节点，此仿真处主要反应测距误差对网络定位的影响，所以GPS的测量误差设置的很小，服从高斯分布其中I为单位阵。节点每隔1秒发送Hello包，每隔2 秒发送TC包，模拟器运行总时长为1分钟。由于实际应用场景中，测距因为设备精度等问题，固然存在一定测距误差。本次仿真试验设置测距误差服从均值为0方差为1的高斯分布。结果证明，模拟器运行结束后，每个节点都能获得了一套网络定位信息，即网络中各一跳节点间的测距。以网络中第1个节点为例，它获得测距信息与真实距离误差的累积分布函数如图5所示。
此处，采用“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximum likelihood networklocalization using range estimation and GPS measurements." WirelessCommunications and Signal Processing(WCSP),2017 9th International Conferenceon.IEEE,2017.”中的SCP算法，利用上述定位信息扩散协议(方法)收集到的测距信息进行网络定位，定位误差的累积分布函数如图6所示。从图中可以看到，基于本发明方法传播汇聚得到的定位信息，可以较好的实现网络定位，约80％的节点定位误差在1米以内，最大定位误差为 1.6米，仅为最大测距误差一半。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.基于OLSR协议的网络节点定位信息的传输方法，所述方法以OLSR的定位信息扩散方法为基础，其特征在于：
(1)在OLSR协议Hello包的基础上，构建新的Hello包：
1.1将Hello包第一个Reserved字段修改为Send Time1，表示新的Hello包发送时间Ts；
1.2借用Hello包的Neighbour Adress字段，将其修改为Send Time2、……，并修改Hello包的第二个Reserved字段为Flag，Flag标识借用前多少个Neighbour Adress字段；
1.3当有节点B接收到某节点A发送的Hello包，记录接收时间Tr，则节点A到B的测距为：
dAB＝C(Tr-Ts)，(C为信号传播速度)
1.4节点B记录上述获得的测距信息，同理节点A得到并记录节点B到A的测距；
(2)在OLSR协议TC包的基础上，构建新的TC包：
2.1将MPR Selector Address改成Neighbor Address，并增加相应的NeighborAddress到源节点的测距信息；
2.2在TC包中添加GPS测量信息，将其中保留的Reserved字段更改为Flag，Flag＝0表示源节点不是锚点，Flag≠0表示源节点是锚点，Flag＝2表示网络处于2维空间，此字段之后的连续两个字段分别表示源节点的X轴和Y轴坐标的GPS测量，Flag＝3表示网络处于3维空间，此字段之后的连续三个字段分别表示源节点的X轴、Y轴和Z轴坐标的GPS测量；
2.3节点在接收到TC包之后，除了执行OLSR标准操作之外，同时在本地记录源节点到其邻居节点的测距信息，以及锚点的GPS测量信息；上述信息也会遵循OLSR自有转发策略，随着TC包自动扩散到整个网络。
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